具有多模式無線電的超低功率感測平臺的制作方法
【專利說明】具有多模式無線電的超低功率感測平臺
[0001 ] 關于聯邦資助的研究或發展的聲明
[0002]本發明是在國家科學基金會根據CNS1035303授予的政府支持下做出的。政府擁有本發明的某些權利。
[0003]相關專利串請的交叉引用
[0004]本專利申請要求于2012年8月30日提交、美國專利申請號為61/694，855、名稱為“具有多模式無線電和喚醒無線電的超低功率無線感測平臺”的優先權，以及要求于2013年3月13日提交、美國專利申請號為61/780，008、名稱為“具有多模式無線電的超低功率無線感測平臺”的優先權，各專利申請通過引用完整地并入本申請。
【背景技術】
[0005]嵌入式系統可以使用在各種應用中，包括提供監控、感測、控制或安全功能。根據相對重要的在尺寸、功率消耗或環境耐受性上的限制，這種嵌入式系統一般被定制到具體的應用。
[0006]特別地，一類嵌入式系統可以包括傳感器節點，如用于感測或監控一個或多個生理參數，或者用于其它應用。具有無線通信能力的傳感器節點可以被稱為無線傳感器節點(WSN)。類似地，位于對象的身體上、靠近對象的身體或在對象的身體內的傳感器節點可以被稱為體域傳感器節點(BASN)或者身體傳感器節點(BSN)。傳感器節點可以為保健提供者提供重要的好處(如能夠進行持續監控，驅動，和生理信息的記錄，便于自動或遠程跟進)，或者在存在生理狀態惡化的情況下提供一個或多個警報。使用傳感器節點獲得的生理信息可以被傳送到其它系統，如用來幫助診斷，預防和應對各種疾病(如糖尿病，哮喘，心臟病況，或其它疾病或病況)。

【發明內容】

[0007]在生理感測的例子中，例如，若傳感器節點包括某些特性(如長期監控能力或耐磨性)，則傳感器節點可以向對象或護理者提供特殊值。因為醫療保健費用逐步上升或者更多保健提供者嘗試過渡到遠程患者跟進和遠距醫療，所以在沒有維護、更換或手動再充電的情況下，傳感器節點的長的壽命變得更加重要。
[0008]據信，由于缺少擴展的操作能力或耐磨性，妨礙了普遍可用的傳感器節點的廣泛采用。例如，佩帶包括大的原電池或可再充電電池的傳感器節點會不舒服，并且具有更小電池的傳感器節點是不合需要的，這是因為患者或其它使用者會不遵守所需要的再充電或更換間歇。類似地，需要導電的數據傳送接口的傳感器節點通常很麻煩，這是因為佩帶者或保健提供者通常須手動地將通信接口線纜連接到節點以傳送信息到這個節點或者從這個節點傳送信息。無線通信電路系統可以減少或消除對如此麻煩的有線接口的需求。但是，這樣的無線電路系統會消耗大量的能量，進一步重負有限的能量預算或者限制普遍可用的傳感器節點的操作壽命。
[0009]在一個示例中，傳感器節點(如生理傳感器節點)可以包括一個或多個半導體器件，該半導體器件具有多種系統功能的高度集成。這樣的半導體器件可被稱為“片上系統”或SoC。SoC可以提供實現系統所有主要功能的數字或混合信號電路系統，如包括通用處理器電路、專用處理器電路、模擬信號調理電路、供電調節或轉換電路、電壓或電流基準電路、或功率管理電路中的一個或多個。
[0010]傳感器節點還可以包括通信電路系統，如將傳感器節點無線耦合到一個或多個其它器件來發送或接收信息。一個或多個傳感器節點的陣列可以互相耦合或者耦合到一個或多個其它器件或組件。這樣的布置可以被稱為體域網(BAN)。
[0011]除了其它事情外，發明人已意識到，超低功率(ULP)技術可以應用到包括在傳感器節點中的一個或多個電路。ULP技術可以用于如提供作為傳感器的部分被包括的SoC。例如，對于傳感器，這樣的SoC可以包括配置為閾下操作的一個或多個模擬或數字部分。
[0012]其它技術可以用來代替閾下操作，或者除了閾下操作外還使用其它技術，如功率或時鐘柵控以禁用或暫停系統的指定部件的操作，或者包括調整占空比、時鐘頻率(如時鐘節流(throttling))或供電參數(供電電壓節流)以減少功率消耗。
[0013]在一個示例中，傳感器節點無需包括電池。代替電池，或者除了電池外，傳感器節點包括一個或多個其它電源。例如，傳感器節點可以具有能量收集能力，如使用熱電發電機(TEG)。這樣的能量收集可以包括在集成電路的部分內或者“片外”(如使用電容器)存儲能量。供電電路可以作為傳感器的部分被包括，來提供將電源所提供的能量轉換成一個或多個規定的電壓。
[0014]在一個示例中，傳感器節點可以包括操作能量的來源、功率管理處理器電路、數字處理器電路、存儲器電路和第一無線接收器電路，功率管理處理器電路被耦合到操作能量的來源并且配置為基于操作能量的來源的狀態選擇傳感器節點的能量消耗水平，數字處理器電路包括由功率管理處理器電路基于選擇的能量消耗水平建立的操作模式，存儲器電路被耦合到數字處理器電路，第一無線接收器電路被耦合到存儲器電路。在由功率管理處理器電路建立的操作模式中，第一無線接收器電路可以配置為無需使用數字處理電路無線地接收信息以及無需使用數字處理電路傳送接收到的信息中的至少一部分到存儲器電路。
[0015]傳感器節點中的一個或多個通信電路使用的協議、數據速率、操作頻率范圍、或者調制技術中的一個或多個可以被調整或選擇，比如，基于選擇的能量消耗水平，該選擇的能量消耗水平由功率管理處理器電路所建立。例如，第一無線接收器電路可以配置為消耗大約100納瓦(nW)或以下，以在傳感器節點的大多或所有操作模式中提供接收信息的能力(如“永遠開啟”的接收器)。
[0016]與周期性工作的方式不同，盡管在待機模式中總的傳感器節點的能量消耗小于約如I微瓦(yW)，第一無線接收器電路的操作也可以持續或接近持續地為傳感器節點響應第一無線接收器電路接收的命令或其它信息提供極低的延遲。在示例中，比如使用消耗少于約10nW的接收器電路，在接收指定的信息包和傳感器節點對包反應之間的延遲可以小于10毫秒(ms)，并且總的傳感器節點的消耗小于約如I yW，(比如)而不需要時間消耗或能量耗盡同步。
[0017]
【發明內容】
部分旨在提供本專利申請的主題的概述。它意不在提供本發明排它或詳盡的說明。包括了詳細的描述以提供關于本專利申請的進一步的信息。
【附圖說明】
[0018]圖1A大體示出了如可以包括在集成電路中的傳感器節點或傳感器節點的部分的例子。
[0019]圖1B大體示出了如可以包括在集成電路中的傳感器節點或傳感器節點的部分的例子。
[0020]圖2A至圖2D大體示出如可以包括在集成電路中的傳感器節點或傳感器節點的部分的架構的例子。
[0021]圖3大體示出了可以作為傳感器節點的部分被包括的尋址方案。
[0022]圖4大體示出了可以作為傳感器節點的部分被包括的計時方案。
[0023]圖5大體示出了可以作為傳感器節點的部分被包括的時鐘信號調理電路，該時鐘信號調理電路可配置為提供指定的時鐘信號。
[0024]圖6大體示出了傳感器節點的部分的例子，傳感器節點的部分可以包括三個耦合到基帶控制器電路(如有限狀態機)的通信電路。
[0025]圖7A至圖7C大體示出傳感器節點的部分的架構的示例，傳感器節點的部分可以包括三個耦合到基帶控制器電路(如有限狀態機)的通信電路。
[0026]圖8大體示出了可以作為傳感器節點的部分被包括的發射緩沖器架構的例子。
[0027]圖9大體示出了可以作為傳感器節點的部分被包括的接收緩沖器架構的例子。
[0028]圖10大體示出了一種技術(如一種方法)，這種技術可以包括如基于電源狀態建立傳感器節點的一個或多個部分的操作模式。
[0029]在附圖中，附圖不是按比例描繪的，相同標記可以通過不同視角描述相似的構件。具有不同字母后綴的相同標記可以表示相似構件的不同實例。附圖大體以例子的方式而非限制性的方式說明本文件中討論的各種實施例。
【具體實施方式】
[0030]圖1A大體示出了如可以包括在集成電路中的傳感器節點或傳感器節點的部分的例子100A的框圖。傳感器節點可以包括或可以被耦合到電源102。電源102可以包括可再充電的電池、原電池或能量收集電路中的一個或多個。
[0031]例如，能量收集技術可以包括從外界光源、電磁耦合、熱梯度或機械振動中獲取能量。與依賴于電池的傳感器節點相比，能量收集技術可以提供延長的可操作壽命。但是，為了提供持續的操作，能量收集傳感器節點消耗的能量一般小于在相關時間段內收集的量。傳感器節點可以無電池，或可以在不需要原電池或可再充電電池的情況下進行操作，如使用無線耦合能量或利用能量收集技術提供的能量中的一個或多個持續地或在操作的延長時段給傳感器節點提供動力。
[0032]傳感器節點可以包括數字處理器電路112 (如微控制器或微處理器電路)或功能特定處理器電路114(如“加速器電路”)中的一個或多個。傳感器節點可以包括一個或多個無線通信電路，如第一無線接收器電路124。數字處理器電路112和第一無線接收器電路可以被耦合到存儲器電路116，如使用總線138。
[0033]在圖1A、和圖1B或別處示出的例子的一個或多個數字部分可以在閾下操作模式中運行。閾下操作模式可以被建立，比如提供、調整或選擇調節器電路(未在圖1A和圖1B中示出)提供的供電電壓