用于传感器节点的能量收集和控制的制作方法_4

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0-78地)。如在本文其他地方(诸如图9)的示例中所讨 论的,5输入多路复用器或其他拓扑可W提供到亚微瓦的8位SARADC(诸如AD巧20)的输 入,W对各输入通道或者VcmsT转换器电路输出节点536进行采样,诸如用于监视能量消耗 状态或存储的能量水平。
[0084] 图6大体上示出诸如传感器节点的系统的一部分的说明性示例602,其可W包括 可在通用处理器电路(例如MCU632)、功率管理处理器电路(例如,DPM630)或诸如功能 特定的处理器电路的一个或多个其他电路之间被共享的指令存储器(IMEM)650。在图6的 说明性示例602中,MCU可W与DPM630共享IMEM650。例如,各多路复用器660A或660B 可W诸如使用指定代码字将各自的指令导向到MCU632或DPM630。
[0085] 在示例中,DPM630可W被配置为,诸如在MCU632正在执行指令时自动进入较低 能量消耗状态(被暂停或禁用,诸如可被称为"睡眠"模式)。相似地,当DPM630正在执行 一个或多个指令时,MCU632可W被关闭或被时钟选通W保持状态,从而节约能量。按该种 方式,MCU632可W提供通用处理灵活性,并且DPM630可W诸如在无需额外指示或数据存 储空间的情况下提供有效的能量消耗水平控制。
[0086] 图7大体上示出诸如传感器节点的系统的一部分的说明性示例700,其可W包括 用于处理数据或用于无线传输数据的一个或多个可控数据路径,诸如可W包括对应于指定 能量消耗水平建立的数据路径。
[0087] 诸如在本文中其他地方的示例中所述的DPM的功率管理处理器电路可W提供功 率管理责任。DPM也可W诸如与指定能量消耗水平一致地管理一个或多个数据信号路径。 如在图6的说明性示例中讨论的,DPM可W执行来自指令存储器(例如,1. 5kB的指令存储 器)的指令,从而诸如与使用一个或多个通用处理器电路用于控制系统相比消耗较少的工 作能量,如在下面的表1的说明性示例中所示:
[008引 DPM指令 |DPM能量 |MCU等价能量 $ 0. 7pJ 1.46pJ 控制信号 2.8pJ 2.92pJ 分支命令 2.9pJ 4. 38pJ
[0089]表1
[0090] 如本文中其他地方所讨论的,DPM可W包括ISA,诸如与通用处理器电路相比被简 化的ISA。DPM可被用于控制DMEM、A阳726的输入通道(例如,增益或ADC采样速率)、传 输速率、时钟频率产生和分配、用于灵活且定义了时刻的数据流的总线管理、时间延迟、时 钟选通或对提供给系统的各种块(诸如提供给系统的数字部分)的电源电压的选择和调 整。W下示例总体上示出可由DPM配置的信号处理选项的各种示例。
[0091] 图7大体上示出系统数据路径的可配置性。例如,可W为处理建立一个或多个分 别的数据路径。相似地,可W为无线传输建立一个或多个数据路径。如在上面和下面的示 例中讨论的,诸如传感器节点的系统可W包括通用处理器电路(例如,MCU)。可W诸如使用 MCU来执行或实行存储在指令存储器中的指令,W建立通用数据处理路径770A。然而,取决 于系统的期望应用,除MCU之外或者代替MCU,可W诸如对应于指定能量消耗水平使用其他 功能特定的处理器电路。
[0092] 诸如图3的示例中所示的时钟生成电路可W将可编程时钟信号(例如,在一个或 者多个频率或相位方面可编程)分配给各自的处理器电路。按该种方式,系统可W使用例 如MCU、一个或多个功能特定的处理器电路,或者一个或多个功能特定的加速器电路与MCU 的级联配置中的一个或多个灵活地处理数据。
[0093] 例如,可W选择第二数据处理路径770B,诸如提供了(诸如禪合到纤维性颤动检 测电路的)有限脉冲响应(FIR)滤波器或R波到R波间隔评估器(例如,RR提取器)中的 一个或多个。DPM可W在数据处理路径之间自动地进行选择,诸如在建立了充裕的工作能量 时选择通用路径770A,或响应于监视到下降的或较低量的可用工作能量而选择第二数据处 理路径770B。在示例中,第S数据处理路径770C可W包括诸如FIR滤波器或包络检测器 (诸如可被禪合到MCU)中的一个或多个的功能特定的处理器电路的组合。
[0094] 诸如MCU的通用处理器电路可W包括8位精简指令集计算(RISC)指令集结构。诸 如通用或者功能特定的处理电路的系统的一个或多个数字部分可W包括时钟脉冲口或头。 例如,PMOS头可W提供相应的数字部分与一个或多个已调节的电源电路输出(诸如0. 5V 的电源)或可调电源之间的可控禪合。可调电源可由DPM来控制,W便提供动态电压缩放 值VS)。
[0095] 在说明性示例中,MCU可被配置为阔下工作,诸如包括类似于8位PIC微控制器 (例如,PIC微控制器,诸如类似于由美国亚利桑那州钱德勒市的Microchip(微巧片)技 术公司提供的一个或多个PIC)结构。例如,MCU可被配置为在大约1.2曲Z的时钟频率下, 在低至大约0. 26V的VDD电压下工作。在大约0. 55V的VDD电压下,MCU可W工作在大约 800曲Z下。在说明性示例中,MCU可消耗大约0. 7毫微瓦(nW)至大约1. 4yW,如可W对应 于电源电压范围(从大约VDD= 0. 26V到大约VDD= 0. 55V)被测量到的,从而诸如在默认 的0. 5V、200曲Z的能量消耗水平下每次操作提供1. 5pJ。
[0096] FIR滤波器可W是数字的,诸如被配置为提供固定的或者可编程的系数集或抽头 计数。在说明性示例中,FIR滤波器可W包括四通道可编程结构,诸如允许多达30抽头(或 更多),例如可工作在低至大约300mV(如在本说明性示例中根据经验确定的)的电源电压 的阔下制度中。FIR滤波器可W是可配置的,诸如包括系数选择、抽头的数量或滤波器的数 量。在指定的较低能量消耗模式中,FIR滤波器可W被配置用于"半抽头化alf-tap)"操 作,诸如将可用抽头的数量削减一半(例如,从30个可用抽头过渡到15个可用抽头)。
[0097] 直接FIR实施可W包括诸如对应于各抽头的各乘法器和加法器。然而,该样的方 法可能W面积和能量消耗性能为代价。对于其中采样速率相对较低的感测或滤波应用,可 W使用串行滤波器实现,诸如随着时间的过去W串行的方式确定给定的抽头乘法并添加相 继的确定,使用是采样速率的倍数的时钟速率。该样的串行实现可针对各通道使用少至单 个乘法器和单个加法器,诸如与全部30抽头的FIR实现相比提供面积方面的30倍的缩减。 该样的串行FIR结构可W提供在使用350mV的电源电压的情况下1.IpJ每抽头的能量消 耗。各通道可W是功率或时钟选通的,诸如对应于由DPM控制的指定能量消耗水平。
[009引对于诸如ExG感测的生理传感应用,功能特定的处理器电路之一可W包括包络检 测器。例如,对于EEG传感应用,信号功率可被确定在特定频带内,诸如对应于a、P、y和 低丫频带内的神经活动。包络检测电路可确定指定频带内的平均信号功率。例如,可W从 FIR滤波器接收数据,诸如使用对应于FIR滤波器的通道输出的四输入通道。例如,可W使 用下面的方程(1)来确定平均信号功率,可由X来表示信号,可由表示平均信号功率,
[0099] A=去!^:。1| 对"]|2 (1)
[0100] 其中N可W表示总窗口大小。为减少计算复杂性,N可被确立为2的幕(例如,选 自从22至2 7的范围)。该样的2的幕可W提供通过右偏移数据实现的除法运算。可W诸如 使用从查找表获得的平方结果将X的值取整为最接近的4的幕。按该种方式,可W缩减数 据变换期间使用的位数,因为最低的两个有效位始终是零值。在说明性示例中,该样的包络 检测器电路可W消耗3. 5nW,对应于大约0. 5V的VDD电源电压和大约200曲Z的时钟速率。
[010U在示例中,R-R间隔评估器可W包括用W执行Pan-To址ins技术的电路。该样的R-R间隔估计技术可W包括诸如在获取基线DC值之后诸如使用时域加窗和阔值中的一个 或多个确定屯、率。R-R间隔评估器可W提供给定到两个连续峰值的时间戳,该两个连续峰 值对应于它们之间的采样数目差。按该种方式,可W诸如通过根据所建立的能量消耗水平 (诸如在DPM的控制下)改变采样速率或电源电压来适应更快或更慢的处理速率,从而调整 R-R确定的分辨率。
[0102] 在示例中,一旦已经估计了R-R间隔,就可W提供脉冲给诸如纤维性颤动检测处 理器。例如,纤维性颤动检测处理器可W包括房颤检测器。纤维性颤动检测处理器可W使 用诸如基于临床人群所确立或验证的一个或多个纤维性颤动检测技术。纤维性颤动检测器 电路可W响应于所检测到的纤维性颤动事件输出标记,诸如,使用少至12个相继的R-R间 隔估计与滴阔值标准一起或者使用一个或多个其他技术。
[010引DPM也可W控制一个或多个无线数据传输路径,诸如图7中所示。例如,第一数据 传输路径772A可对应于流模式,诸如用于由MCU提供的数据的传输。第二传输路径772B 可W包括存储和突发方案,诸如使用数据存储器电路(例如,处于FIFO布置中)。第S传输 路径772C可W包括将信息存储在诸如环形缓冲器或FIFO中,诸如响应于一个或多个检测 到的事件而传输信息的突发。例如,在生理感测应用中,可W存储指示R-R间隔的信息。可 W诸如响应于指示纤维性颤动的信息而提供被传输的信息的突发。否则,可W存储该样的 RR间隔信息W供稍后传输或W其他方式丢弃。
[0104] 图8大体上示出系统的一部分的说明性示例804,诸如可被包括作为传感器节点 的一部分的调节器电路的一部分。如在其他示例中讨论的,可W对诸如TEG的能量收集换 能器的输出进行升压。在图8的示例中,诸如升压转换器的转换器电路的输出节点836可 W对应于在存储电容器886处建立的电压。在说明性示例804中,可在包括示例804的调 节器电路的集成电路内产生偏置。
[01化]例如,可将一个或多个固定调节器包括在固定调节器部分884中,诸如包括四个 或更多的亚微瓦线性调节器。该样的调节器可W提供用于禪合到系统的一个或多个其他 部分的指定的固定电压,诸如:大约1.2V(例如,可禪合到AFE)、大约0.5V(例如,供在数 字信号处理中使用,诸如一个或多个功能特定的处理器电路或一个或多个其他电路)、大约 1. 0V(例如,用于对无线发射器本地振荡器进行供电),或被配置为生成大约0. 5V(例如,用 W向无线发射器功率放大器提供功率)的另一电源。
[0106] 图8的说明性示例可W包括一个或多个其他调节器电路,诸如可调的调节器部分 882。例如,可调的调节器部分882可W包括开关电容器DC-DC转换器。该转换器可被配置 为诸如W50mV的步长提供从大约0. 25V到IV的可调或者可控的输出。例如,可W使用3 位电阻器DAC(畑AC),诸如基于来自DPM的控制字来生成对应于期望输出水平的参考电压。 可W诸如根据期望的输出范围改变阵列中的电容器的布置。可W将一或多个外部电容器可 W禪合到可调的调节器部分882,W便减少或抑制由于切换活动而产生的波纹。
[0107] 如在本文中其他示例中所讨论的,系统的部分中的一个或多个可被配置用于阔下 工作,诸如可控地可禪合到固定的或可变的电压源(诸如在DPM的控制下,诸如使用PM0S 头)。按该种方式,DPM可W使用固定或者可调电源电压中的一个或多个为每个部分建立受 控的能量消耗水平。
[010引图9大体上示出诸如传感
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