專利名稱：電子電路及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及附有無線通信功能的電子電路。特別是涉及適合于構(gòu)筑傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的小型并且低消耗功率的電子電路。
背景技術(shù)：
近年來，人們正在研討通過在傳感器中附加具有無線通信功能的小型電子電路，實(shí)時(shí)地將現(xiàn)實(shí)世界的各種信息取入到信息處理裝置的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(以下，稱為傳感器網(wǎng)絡(luò))?？紤]到關(guān)于傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛的應(yīng)用，例如，也可以考慮通過集成了無線電路、處理器，傳感器、電池的戒指型的小型電子電路，常常地監(jiān)視脈搏等，通過無線通信將監(jiān)視結(jié)果發(fā)射給診斷裝置，基于監(jiān)視結(jié)果判定健康狀態(tài)那樣的醫(yī)療應(yīng)用(非專利文獻(xiàn)1(Sokwoo Rhee等“Artifact-Resistant Power-EfficientDesign of Finger-Ring Plethysmographic Sensors”，IEEETransactions On Biomedical Engineering，Vol.48，No.7，July 2001，PP.795-805))。
但是，為了廣泛地使傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)用化，使搭載無線通信功能、傳感器和電池等電源的電子電路(以下，稱為傳感器節(jié)點(diǎn))經(jīng)過長時(shí)間不需要維護(hù)，并且可以連續(xù)發(fā)射傳感器數(shù)據(jù)，外形也達(dá)到小型化是重要的。因此，正在開發(fā)由于超小型能夠放置在任何地方的傳感器節(jié)點(diǎn)。在現(xiàn)階段，實(shí)用上，可以不交換電池地使用1年左右的時(shí)間，但是還需要從維護(hù)成本和使用方便這樣兩方面來進(jìn)行考慮。
這樣，要求傳感器節(jié)點(diǎn)是超小型同時(shí)低消耗功率的。例如，在非專利文獻(xiàn)2(Crossbow“Smarter Sensors In Silicon”，“online”，“2004年2月16日檢索”，因特網(wǎng)〈URLhttp//www.xbow.com/Support/Support_pdf_files/Motetraining/Hardware.pdf〉)中，介紹了稱為“Mica2Dot”的，直徑約3cm的小型傳感器節(jié)點(diǎn)的原型。該Mica2Dot由集成了無線通信所需功能的RF芯片和低消耗功率的處理器芯片構(gòu)成。在該原型中，通過99％的時(shí)間為待機(jī)狀態(tài)，只在余下的1％的時(shí)間中間歇地進(jìn)行起動，使傳感器工作，進(jìn)行對結(jié)果實(shí)施無線通信的間歇工作，可以用小型電池工作約1年。在該傳感器節(jié)點(diǎn)中，在美國利用作為不需要許可就可以使用的頻帶的260～470MHz、902～928MHz等的頻帶進(jìn)行無線通信。一般為了進(jìn)行無線通信，需要使用得到許可和經(jīng)過預(yù)先認(rèn)證的特別的發(fā)射接收機(jī)，對于利用來說存在很大的限制。因此，因?yàn)槿绻貌恍枰S可的頻率，則不用花費(fèi)很多時(shí)間和成本就可以設(shè)置并且容易構(gòu)筑系統(tǒng)，所以用這種頻帶是有利的。特別是，在美國規(guī)定發(fā)射功率的最大值，在433MHz頻帶中電場強(qiáng)度小于等于11mV/m，另外，在900MHz頻帶中，小于等于50mV/m(都是在離開發(fā)射點(diǎn)3m距離的地點(diǎn)上)，即便在不需要許可的頻帶中，通過使用這些發(fā)射功率的規(guī)定值比較緩和的頻帶，能夠?qū)崿F(xiàn)良好通信性能和低成本化。
可是，電波法規(guī)因國家和地域的不同而不同，例如，日本的電波法規(guī)如非專利文獻(xiàn)3(“たくさん使ゎれてぃる微弱無線機(jī)器”“online”“2004年2月17日檢索”，因特網(wǎng)〈URLhttp//www.circuitdesign.jp/jp/technical/technical_pdf/bijaku.pdf.PDF〉)中記述的那樣，在不需要許可的頻帶中也不一定緩和允許的電場強(qiáng)度。
又，在非專利文獻(xiàn)4(“Data Sheet CR2032”“online”“2004年2月21日檢索”，因特網(wǎng)〈URLhttp//www.maxell.co.jp/e/products/industrial/battery/pdf/CR2032_DataSheet.pdf〉)中，公開了適合于用作傳感器節(jié)點(diǎn)的電源的小型鈕扣電池。

發(fā)明內(nèi)容
無線通信中必需的電波資源(可以使用的頻帶和最大發(fā)射功率)因國家和地域的不同而不同，如非專利文獻(xiàn)3中所示的那樣，在日本不需要許可就可以使用的電波資源如下所示。
1.小于等于322MHz或大于等于10GHz的頻帶在離開發(fā)射點(diǎn)3m的距離上，電場強(qiáng)度小于等于500μV/m2.大于等于322MHz并且小于等于10GHz的頻帶在離開發(fā)射點(diǎn)3m的距離上，電場強(qiáng)度小于等于35μV/m。
該限制值遠(yuǎn)比美國的限制值嚴(yán)厲。因此，為了在嚴(yán)厲的電波限制環(huán)境中使用假定高發(fā)射功率而設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)，必須使發(fā)射功率比當(dāng)初的設(shè)定值低?？墒牵?yàn)樵诮邮找粋?cè)只能夠接收遠(yuǎn)比原來假定的功率低的功率，所以不能很好地工作。例如，如果根據(jù)日本的電波限制使用根據(jù)美國的電波限制設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)，則在900MHz頻帶的情形中，必須將發(fā)射功率從50mV/m削減到35μV/m。即，電波強(qiáng)度也必須減弱63dB(＝20×log(50mV/0.035mV))。
在一般的RF芯片中最小接收靈敏度(可以接收的高頻無線信號的信號電平的最小值)約為-100dBm。當(dāng)電波強(qiáng)度也減弱63dB時(shí)，幾乎不可能接收。具體地說，存在著陷入在數(shù)10m的距離上能夠穩(wěn)定地收發(fā)器件，即便在數(shù)m的距離上也不能夠進(jìn)行通信的事態(tài)的擔(dān)心。如果將使用的頻率變更到315MHz，則因?yàn)樽鳛殡妶鰪?qiáng)度允許500μV/m，所以多少能夠改善狀況?？墒牵幢阍谶@種情形中，也惡化了40dB(＝20×log(50mV/0.5mV))，即，不能夠避免可以通信的距離的惡化。
為了提高接收靈敏度，首先要使RF芯片具有更高靈敏度，但是我們認(rèn)為用現(xiàn)在狀態(tài)的CMOS工藝要將靈敏度提高到在此以上是困難的。因此，正在廣泛地實(shí)施將外加的高頻低噪聲放大器(Low NoiseAmplifier，LNA)附加到RF芯片的輸入端，提高靈敏度的方法。如果通過附加這種放大器，使接收的信號放大約20dB，則理論上，能夠認(rèn)為可以達(dá)到約10m的通信距離。
但是，在我們實(shí)際試行的范圍內(nèi)只是這樣還是不充分的。通常，在傳感器節(jié)點(diǎn)中，由于尺寸的制約必須將處理器芯片和RF芯片集成在非常小的區(qū)域(～數(shù)cm角)。另一方面，如眾所周知的那樣，在如傳感器節(jié)點(diǎn)那樣用微弱的高頻無線信號進(jìn)行無線通信的情形中，來自處理器芯片的輻射噪聲成為障害，不能簡單地提高接收靈敏度。通常，數(shù)字電路用矩形波交換信號。矩形波由種種頻率成分的交流信號構(gòu)成，其中在無線通信中使用的信號成分中包含著頻帶極其接近的信號。另一方面，在RF芯片中，放大非常微弱的高頻無線信號(典型地小于等于μV的量級)，對所要的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)。因此，即便數(shù)字電路的信號很少，當(dāng)回到RF芯片的輸入部分時(shí)，在RF芯片中，不能夠正常地對來自天線的高頻無線信號進(jìn)行解調(diào)。進(jìn)一步，即便是初看起來完全不同的頻率成分，通過放大電路LNA和在RF芯片內(nèi)部中使用的半導(dǎo)體器件的輸入輸出非線性特性，合成出新的頻率成分的信號，在接收對象的頻帶中出現(xiàn)了噪聲信號。因此，在最壞的情形中，很有可能為了提高接收靈敏度而追加的放大器LNA放大的是來自處理器芯片的輻射噪聲。所以，在傳感器節(jié)點(diǎn)中必須解決小型化和提高接收靈敏度這樣兩個(gè)相反的課題。
另外，采用放大器LNA對消耗功率進(jìn)而電池壽命產(chǎn)生影響。即便在放大器LNA中具備著未使用時(shí)使放大器LNA芯片整體處于待機(jī)狀態(tài)，抑制消耗功率的功能，在待機(jī)狀態(tài)也最大消耗約10μA的待機(jī)電流。為了使傳感器節(jié)點(diǎn)是不需維護(hù)的并且可以在緊湊的狀態(tài)中長時(shí)間地工作，不得不使用鈕扣電池。但是，這種鈕扣電池等的電流容量最多只有200mA。因此，當(dāng)在放大器LNA中常時(shí)消耗約10μA的電流時(shí)，即便不進(jìn)行任何工作也只能夠持續(xù)約2年(2.28年＝200mAh/0.01mA/24h/365天)。實(shí)際上根據(jù)條件電池容量減少，例如低溫時(shí)電池容量減少是眾所周知的，這進(jìn)一步縮短了電池壽命。
從電池壽命觀點(diǎn)來看重要的是它的使用方法。如非專利文獻(xiàn)4所示的那樣，當(dāng)在鈕扣電池中，連續(xù)流動超過數(shù)mA的大電流時(shí)，使電池容量極端地惡化。進(jìn)一步，發(fā)明者通過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用鈕扣電池時(shí)，即便在脈沖地(間歇地)使用鈕扣電池的情形中不抑制峰值電流的話，從而使電池容量極端惡化那樣的問題。在發(fā)明者的實(shí)測中，當(dāng)脈沖地消耗約10mA的電流時(shí)也觀測到同樣的現(xiàn)象。在至今的傳感器節(jié)點(diǎn)中，例如非專利文獻(xiàn)2所示的那樣，通過將占空比(在間歇工作中，實(shí)際工作時(shí)間與間歇工作的時(shí)間間隔的比率)抑制到小于等于1％，能夠達(dá)到降低平均消耗電流延長電池壽命的目的。所以，降低占空比消減平均消耗電流的方式，因?yàn)楫?dāng)產(chǎn)生大的峰值電流時(shí)使電池容量極端惡化，所以相反地存在著縮短電池壽命的擔(dān)心。
在可以用現(xiàn)在狀態(tài)的半導(dǎo)體工藝實(shí)現(xiàn)的RF芯片中，在發(fā)射接收中需要約10mA的電流，為了使低消耗功率的處理機(jī)芯片工作也需要約5mA的電流。進(jìn)一步，在放大器LNA中也需要10mA的電流。所以作為整體，在發(fā)射接收中需要約20mA的電流。因此，如非專利文獻(xiàn)2所揭示的那樣，以約0.1％的低占空比進(jìn)行工作，即便將表觀上的消耗電流抑制到約10μA，實(shí)際上存在著因?yàn)橛煞逯惦娏饕鸬拟o扣電池容量的惡化現(xiàn)象，而使壽命相當(dāng)大地縮短的擔(dān)心。進(jìn)一步，當(dāng)考慮傳感器的消耗電流時(shí)，實(shí)際的電池壽命變得更短。在一般的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，作為傳感器，可以考慮溫度傳感器、加速度傳感器、光學(xué)傳感器等。其中，溫度傳感器可以得到數(shù)μA。但是，在非專利文獻(xiàn)1中揭示的光學(xué)傳感器的脈搏傳感器中，需要峰值數(shù)mA的電流。另外，即便溫度傳感器的消耗電流為數(shù)μA，當(dāng)照舊進(jìn)行常時(shí)起動時(shí)，因?yàn)殁o扣電池的電流容量是有限的，所以不能夠無視給予工作壽命的影響(即便在5μA的情形中，也只持續(xù)200mAh/5μA/24h/365天＝4.5年)。
因此，根據(jù)本發(fā)明，通過極力排除噪聲的影響由放大器LNA提高實(shí)效的接收靈敏度，同時(shí)一面極力抑制待機(jī)電流，一面也將峰值電流抑制在低值，減少鈕扣電池的電池容量的惡化現(xiàn)象，提供小型并且長壽命的實(shí)用的傳感器節(jié)點(diǎn)。
進(jìn)一步，在本發(fā)明中，通過在傳感器節(jié)點(diǎn)中，為了最大限度地延長電池壽命，綜合地控制處理器芯片/RF芯片/LNA/傳感器，提供可以將待機(jī)電流和峰值電流抑制到最小限度的控制方式。
本發(fā)明的代表性的特點(diǎn)如下所示。本發(fā)明的電子裝置具有基板、用于連接傳感器的連接器、經(jīng)過連接器從傳感器接受輸入的傳感器輸數(shù)據(jù)，形成發(fā)射數(shù)據(jù)的第1信號處理器電路和將來自第1信號處理器電路的發(fā)射信號變換成高頻信號的第2信號處理器電路，將連接器和第1信號處理器電路安裝在基板的第1面上，將第2信號處理器電路安裝在基板的第2面上。因此，使成為噪聲發(fā)生源的數(shù)字電路和高頻電路分離。為了進(jìn)一步提高這種效果，在基板上設(shè)置噪聲屏蔽層。進(jìn)一步，也在使各個(gè)面的配置都遠(yuǎn)離成為噪聲發(fā)生源的電路和對噪聲敏感的電路上下工夫。
又，電子裝置具有進(jìn)行間歇工作，可以截?cái)嗖皇褂秒娐返碾娫吹臉?gòu)成。例如，當(dāng)高頻低噪聲放大器LNA不進(jìn)行接收工作時(shí)截?cái)嚯娫矗?dāng)進(jìn)行讀出工作時(shí)截?cái)嗟絺鞲衅鞯碾娫垂┙o。
進(jìn)一步，對于具有用鈕扣電池供給電源，可以同時(shí)實(shí)施內(nèi)部處理和與外部裝置的發(fā)射接收處理的構(gòu)成的電子裝置，當(dāng)判斷內(nèi)部處理所需的消耗電流和發(fā)射接收處理所需的消耗電流之和超過預(yù)定電流量時(shí)，在不同的定時(shí)實(shí)施上述內(nèi)部處理和發(fā)射接收處理，當(dāng)判斷內(nèi)部處理所需的消耗電流和發(fā)射接收處理所需的消耗電流之和不超過預(yù)定電流量時(shí)，在重復(fù)的定時(shí)實(shí)施內(nèi)部處理和發(fā)射接收處理。因?yàn)楫?dāng)鈕扣電池即便暫時(shí)地流過大的峰值電流時(shí)也使電池壽命惡化，所以要根據(jù)推定的消耗電流決定工作定時(shí)。
根據(jù)本發(fā)明，可以實(shí)現(xiàn)具有實(shí)用的通信距離性能，具有實(shí)用的工作壽命的傳感器節(jié)點(diǎn)。


圖1是表示傳感器節(jié)點(diǎn)的一個(gè)實(shí)施方式(表面)的圖。
圖2是表示傳感器節(jié)點(diǎn)的一個(gè)實(shí)施方式(背面)的圖。
圖3是表示傳感器節(jié)點(diǎn)的一個(gè)實(shí)施方式(截面)的圖。
圖4是表示設(shè)置在基板內(nèi)部中的接地平面層的圖。
圖5是表示設(shè)置在基板內(nèi)部中的電源平面層的圖。
圖6是表示接口IF1的詳細(xì)情況的圖。
圖7是表示LED顯示監(jiān)視器的構(gòu)成例的圖。
圖8是表示高頻開關(guān)和放大器LNA的控制電路的構(gòu)成例的圖。
圖9是表示在傳感器節(jié)點(diǎn)SN1中的信號流的圖。
圖10(a)～(e)是分別表示可以在傳感器節(jié)點(diǎn)SN1中應(yīng)用的電源截?cái)嚅_關(guān)的構(gòu)成例的圖。
圖11是用于可以低消耗功率使傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行工作的功率控制方法的操作程序圖。
圖12是表示當(dāng)應(yīng)用圖11的功率控制方法時(shí)的傳感器節(jié)點(diǎn)的消耗電流波形的例子的圖。
圖13是表示當(dāng)應(yīng)用圖11的功率控制方法時(shí)的傳感器節(jié)點(diǎn)的消耗電流波形的例子的圖。
圖14是表示當(dāng)不應(yīng)用圖11的功率控制方法時(shí)的傳感器節(jié)點(diǎn)的消耗電流波形的比較例的圖。
圖15是表示與本發(fā)明的傳感器節(jié)點(diǎn)組合起來使用的電源基板和程序?qū)懭牖宓臉?gòu)成例的圖。
圖16是表示用本發(fā)明的傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的構(gòu)成例的圖。
圖17是表示在圖16的傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中從本發(fā)明的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)射的數(shù)據(jù)的構(gòu)成例的圖。
標(biāo)號說明SN1......傳感器節(jié)點(diǎn)，SIDE1......基板的第1面，SIDE2......基板的第2面，CA、CB、CC、CD......基板的4個(gè)角，CHIP1、CHIP2......半導(dǎo)體集成電路，C1、C2、C3、C4......電容，X1、X2、X3......石英振子或陶瓷振子，ANT1......天線，LNA......高頻低噪聲放大器，RFSW......高頻開關(guān)，MA......高頻阻抗匹配電路，RF......高頻電路(包含數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)、PLL、VCO等)，OSC......振蕩電路，CON......控制電路，DISP......LED顯示監(jiān)視器，CPU......處理器電路，ADC......A/D變換電路，MEM、CMEM1......存儲器，SIO......串行通信電路，TM1......定時(shí)器電路，PIO......可編程序輸入輸出電路，LSC......RFSW/LNA的控制電路，PS1、PS2、PS11、PS21、PS22......電源截?cái)嚅_關(guān)，TS......溫度傳感器，CN1、CN2、CN3......連接器，VDD......第1電源線，VDD2......第2電源線，VDD3......第3電源線，GND地電位，IF1......接口，V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V10、V11、V13、V15、V21、V22、V23......用于與基板的表面和里面連接的涂敷金屬層(貫通孔)，DS......數(shù)據(jù)信號線，CS......控制信號線，DC......LED顯示監(jiān)視器的控制信號線，RES......CHIP2的重置信號線，AP......A/D變換信號線，DP......數(shù)字I/O信號線，AT......溫度傳感器輸出信號線，VP1......設(shè)置在基板內(nèi)部的第1電源層，GP1......設(shè)置在基板內(nèi)部的接地層，VH10、VH11、VH13、VHI1、VH15......為了通過涂敷金屬設(shè)置在GP1中的區(qū)域，VH20、VH21、VH22、VH23、VHI1......為了通過涂敷金屬設(shè)置在VP1中的區(qū)域，MP1......P型MOS晶體管，BP1......PNP型雙極晶體管，MN1......N型MOS晶體管，BN1......NPN型雙極晶體管，IV10、IV20、IV21......變換器，R1、R2、R3、R4、R10......電阻，SDATA......存儲讀取來自傳感器的數(shù)據(jù)的結(jié)果的文件，PDATA......存儲關(guān)于通信條件，定時(shí)器起動間隔、對于每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)固有的ID號碼、每個(gè)器件的消耗電流值的信息的文件，I0、I1、I2、I3、I4、I5、Ip0、Ip1、Ip2、Ip3......消耗電流值，SP1......外部傳感器連接器，SEN1、SEN2......外部傳感器，PP1......外部電源連接器，REG1......低電壓調(diào)整器，POR......功率接通重置電路，BAT......電池，SW1、SW2、SW3......開關(guān)，DBP......程序?qū)懭攵俗?，VEX1......外部電源線，BS......程序?qū)懭胄盘柧€，HDD1......二次存儲裝置，DISP1......顯示裝置，NI1、NI10......網(wǎng)絡(luò)接口，DB10......數(shù)據(jù)庫，BA1......鈕扣電池具體實(shí)施方式
下面，我們一面參照附圖一面詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式。此外，附加相同標(biāo)號的構(gòu)成要素表示相同或類似的構(gòu)成。
圖1表示將構(gòu)成傳感器節(jié)點(diǎn)SN1的電路安裝在基板BO1的表面SIDE1上的樣子，圖2表示安裝在基板BO1的背面SIDE2上的樣子。如圖1所示，在基板BO1的表面SIDE1上，安裝著高頻信號處理芯片VHIP1(以下，稱為“RF芯片”)、第1石英振子X1、高頻開關(guān)RFSW、高頻低噪聲放大器LNA、匹配電路MA、與安裝在背面SIDE2上的電路有關(guān)的接口IF1、顯示裝置DISP和電容C1、C2、C3、C4。另外，如圖2所示，由設(shè)置在里面SIDE2上的處理器芯片CHIP2、連接器CN1、第1和第2電源截?cái)嚅_關(guān)(PS1、PS2)、作為內(nèi)部傳感器的溫度傳感器TS1、第2和第3石英振子(X2、X3)、和經(jīng)過接口IF1控制設(shè)置在表面SIDE1上的開關(guān)RFSW和放大器LNA的RFSW/LNA控制電路LSC構(gòu)成。外部傳感器與連接器CN1連接。此外，代替石英振子X1～X3也能夠用陶瓷振子。
RF芯片CHIP1和處理器芯片CHIP2通過接口IF1相互連接。處理器芯片CHIP2從內(nèi)部傳感器或經(jīng)過連接器CN1從外部傳感器收集傳感器數(shù)據(jù)，通過接口IF1將傳感器數(shù)據(jù)交給RF芯片CHIP1。RF芯片CHIP1將傳感器數(shù)據(jù)變換成無線信號，發(fā)射給設(shè)置在傳感器節(jié)點(diǎn)SN1的外部的外部無線終端。另外，相反地，接收來自外部無線終端的無線信號。從外部無線終端，典型地，發(fā)射傳感器數(shù)據(jù)的發(fā)射要求、無線通信的頻率和傳送速率等的工作參數(shù)，經(jīng)過接口IF1將傳感器節(jié)點(diǎn)SN1接收的數(shù)據(jù)交給處理器芯片CHIP2，在下一次的無線通信時(shí)的設(shè)定等中加以使用。
圖3所示的是傳感器節(jié)點(diǎn)SN1的截面圖。如圖3所示，在基板BO1內(nèi)部，設(shè)置接地平面GP1和電源平面VP1。將這2個(gè)平面用作基板BO1的表里的屏蔽，減少傳送到安裝在表面SIDE1上的高頻電路的從處理器芯片CHIP2等產(chǎn)生的噪聲，提高實(shí)效的接收靈敏度。接地平面GP1，與和地電位(基準(zhǔn)電位)GND連接的涂敷金屬層(例如涂敷金屬層V20)連接，被給予地電位GND。另外，電源平面VP1，與和電源線VDD連接的涂敷金屬層(例如涂敷金屬層V10)連接，被給予電源電位VDD。圖4和圖5是分別表示接地平面GP1和電源平面VP1的平面構(gòu)成的圖。在接地平面GP1上，在可以與地連接的涂敷金屬層(例如，V20)以外的部分上，以不與涂敷金屬層接觸的方式不設(shè)置平面層。圖4所示的，用于通過與電源電位VDD連接的涂敷金屬層的涂敷金屬層孔VH10～15和用于通過接口IF1的涂敷金屬層孔VHI1與其相當(dāng)。同樣，即便在電源平面VP1上，在不與電源平面VP1連接的涂敷金屬層的周圍，也不設(shè)置平面層(圖5)。
此外，在圖3中，將2層的平面層中接近RF芯片CHIP1的平面層作為接地平面GP1，但是它最好具有能夠降低從表面SIDE1上的高頻電路看時(shí)的接地平面GP1的電源阻抗的構(gòu)成。又，在圖4、圖5的例子中在涂敷金屬層孔以外的整個(gè)面上設(shè)置平面層，但是也可以用它的一部分作為里面SIDE2或表面SIDE1的配線層。
下面，我們一面參照圖2，一面說明安裝在基板BO1的里面SIDE2上的處理器芯片CHIP2。處理器芯片CHIP2包含存儲器電路MEM、處理器電路CPU、數(shù)據(jù)輸入輸出電路SIO、A/D變換電路ADC、定時(shí)生成電路TIM和可編程序輸入輸出電路PIO。這些電路塊通過內(nèi)部總線BU1相互結(jié)合，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和控制。
存儲器電路MEM由低消耗功率的SRAM(Static random AccessMemory(靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器))和快擦除存儲器等的非易失性存儲器構(gòu)成。在存儲器電路MEM上，搭載著后述的用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明中特有的控制方式的軟件。處理器電路CPU按照搭載的軟件控制處理器芯片CHIP2內(nèi)的其它電路塊，實(shí)現(xiàn)所要的工作。
數(shù)據(jù)輸入輸出電路SIO是串行數(shù)據(jù)的輸入輸出電路，用于將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給RF芯片CHIP1。又，可編程序輸入輸出電路PIO是并行數(shù)據(jù)的輸入輸出電路，主要用于輸入輸出控制RF芯片CHIP1的發(fā)射/接收等的工作模式所需的控制數(shù)據(jù)。
外部傳感器與連接器CN1連接，但是外部傳感器既可以輸出模擬數(shù)據(jù)，也可以輸出數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。由AD變換電路ADC將模擬類型的傳感器的傳感器數(shù)據(jù)AP變換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。例如，在傳感器節(jié)點(diǎn)SN1中，將模擬類型的溫度傳感器TS1內(nèi)藏在基板BO1上，由AD變換電路ADC將來自傳感器TS1的溫度數(shù)據(jù)AT變換成數(shù)字量，需要時(shí)存儲在存儲器MEM上。另一方面，通過可編程序輸入輸出電路PIO將數(shù)字類型的傳感器數(shù)據(jù)DP輸入到處理器芯片CHIP2，需要時(shí)存儲在存儲器MEM上。
另外，處理器芯片CHIP2控制RFSW/LNA控制電路LSC，實(shí)施放大器LNA的電源的接通/斷開和高頻開關(guān)RFSW的發(fā)射接收切換。進(jìn)一步，處理器芯片CHIP2控制電源截?cái)嚅_關(guān)PS1、PS2，控制溫度傳感器TS1和外部傳感器的電源的接通/斷開。又，定時(shí)生成電路TIM，從石英振子X2或X3的振蕩頻率，生成工作所需的定時(shí)，例如時(shí)鐘信號和后述的間歇工作中使用的定時(shí)器信號。
此外，處理器芯片CHIP2分開使用為了低消耗功率工作的2個(gè)石英振子。石英振子X2用于主時(shí)鐘，例如，是數(shù)MHz以上的振子。使用主時(shí)鐘時(shí)的消耗電流典型地為數(shù)mA。另一方面，石英振子X3用于生成副時(shí)鐘和定時(shí)器信號，例如，由用于手表的32KHz的超低消耗功率類型的石英振子構(gòu)成。處理器芯片CHIP2在低消耗功率模式中通過使主時(shí)鐘X2停止，由副時(shí)鐘X3驅(qū)動處理器芯片，可以將消耗電流削減到小于等于10μA。進(jìn)一步，在上述電路塊中A/D變換電路ADC、數(shù)據(jù)輸入輸出電路SIO、可編程序輸入輸出電路PIO、存儲器MEM通過根據(jù)來自處理器電路CPU的控制停止對電路塊的供給，能夠?qū)⒋龣C(jī)時(shí)的消耗電流抑制到很低，實(shí)現(xiàn)數(shù)μA以下的待機(jī)電流。
下面，我們一面參照圖1，一面說明安裝在基板BO1的表面SIDE1上的RF芯片CHIP1。RF芯片CHIP1由高頻調(diào)制解調(diào)電路RF、振蕩電路OSC和控制電路CON構(gòu)成。在高頻調(diào)制解調(diào)電路RF中將從處理器芯片CHIP2發(fā)送過來的傳感器數(shù)據(jù)DS變換成預(yù)定頻帶(～315MHz)的高頻無線信號RFO，發(fā)射給外部無線終端。又，由天線ANT1接收來自外部無線終端的高頻無線信號，由高頻調(diào)制解調(diào)電路RF進(jìn)行解調(diào)。經(jīng)過接口IF1將經(jīng)過解調(diào)的信號CS交給處理器芯片CHIP2。此外，在傳感器節(jié)點(diǎn)SN1對接收強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)視，從高頻調(diào)制解調(diào)電路RF的RSSI端子經(jīng)過接口IF1將表示接收強(qiáng)度的信號AS交給處理器芯片CHIP2。
另外，振蕩電路OSC將石英振子X1的振蕩頻率作為基礎(chǔ)，生成RF芯片CHIP1整體工作所需的時(shí)鐘信號和目的無線通信頻帶的高頻信號(載波頻率信號)。
進(jìn)一步，由控制電路CON，與處理器芯片CHIP2的控制信號CS相應(yīng)地對高頻調(diào)制解調(diào)電路RF和振蕩電路OSC進(jìn)行控制。具體地說，控制發(fā)射和接收等工作模式的切換和發(fā)射接收信號的頻帶微調(diào)整或發(fā)射功率等。進(jìn)一步，也可以根據(jù)來自處理器芯片CHIP2的控制信號，使振蕩電路OSC停止，使RF芯片CHIP1整體轉(zhuǎn)移到待機(jī)狀態(tài)。這時(shí)，典型地可以將RF芯片CHIP1的消耗電流削減到1μA以下。
我們?nèi)缦抡f明關(guān)于其它構(gòu)成要素的工作和構(gòu)成。
由設(shè)置在背面SIDE2上的RFEW/LNA控制電路LSC對高頻開關(guān)RFSW進(jìn)行控制。通過切換天線ANT1和RF芯片CHIP1之間的連線，實(shí)現(xiàn)所要的發(fā)射接收工作。具體地說，發(fā)射時(shí)使高頻開關(guān)RFSW的RI端子和RO2端子之間導(dǎo)通。又，接收時(shí)使RI端子和RO1端子之間導(dǎo)通。
放大器LNA作為RF芯片CHIP1的外部附設(shè)，將由天線ANT1接收的非常微弱的高頻無線信號放大到可以由RF芯片CHIP1解調(diào)的電平。這里，外附放大器LNA是為了用通過與RF芯片CHIP1不同的工藝過程形成的元件。為了低成本化和低消耗功率工作，希望RF芯片CHIP1由CMOS電路構(gòu)成。但是，另一方面存在著在CMOS電路中柵極噪聲大那樣的問題，不利于放大微弱的高頻無線信號。因此，作為放大器LNA用不與CMOS兼容的工藝過程形成的電路，作為外附電路。考慮到它的放大能力，希望放大器LNA由例如GaAs那樣的化合物半導(dǎo)體、SiGe或雙極電路構(gòu)成。將由天線ATN1接收的高頻無線信號輸入到放大器LNA的輸入端子LI，以預(yù)定的放大率放大后經(jīng)過輸出端子LO輸出。當(dāng)在315MHz頻帶中在約10m的通信距離上不能夠進(jìn)行穩(wěn)定的通信時(shí)，放大器LNA的放大率約為10～20dB是令人滿意的。又，因?yàn)橐话惴糯笃鞯南碾娏骱艽螅酝ㄟ^控制起動端子LE，切換工作狀態(tài)和待機(jī)狀態(tài)，可以將待機(jī)時(shí)的消耗電流削減到典型地約10μA。但是，因?yàn)樵趥鞲衅鞴?jié)點(diǎn)SN1中當(dāng)常時(shí)消耗10μA的電流時(shí)也會對電池壽命給予深刻的影響，所以在本實(shí)施例中以根據(jù)來自處理器芯片CHIP2的控制截?cái)嗟椒糯笃鱈NA的電源供給的方式進(jìn)行構(gòu)成，能夠達(dá)到傳感器節(jié)點(diǎn)SN1的低消耗功率化的目的。匹配電路MA是為了使RF芯片CHIP1的輸入輸出阻抗、高頻開關(guān)RFSW和放大器LNA的輸入輸出阻抗匹配，使高頻無線信號能夠在這些元件之間沒有損耗地傳送的電路。匹配電路MA由電感、電容、電阻或?yàn)V波器等的無源部件構(gòu)成。
圖6是表示安裝在表面SIDE1上的電路和安裝在里面SIDE2上的電路通過接口IF1連線的狀態(tài)的圖。接口IF1由數(shù)據(jù)信號線DS、控制信號線CS、顯示裝置(DISP)控制線DC、LNA起動端子控制線LC、RFSW發(fā)射接收切換控制線RC和電源線VDD/LNA電源線VDD1構(gòu)成。
數(shù)據(jù)信號線DS是連接處理器芯片CHIP2的數(shù)據(jù)輸入輸出電路SIO和RF芯片CHIP1的高頻調(diào)制解調(diào)電路RF之間的信號線。又，控制信號線CS是連接處理器芯片CHIP2的可編程序輸入輸出電路PIO和RF芯片CHIP1的控制電路CON的信號線。數(shù)據(jù)信號線DS用于在2塊芯片之間交換數(shù)據(jù)，控制信號線CS用作為了處理器芯片CHIP2切換RF芯片CHIP1的工作模式的控制線。進(jìn)一步，顯示裝置控制線DC用于控制顯示裝置DISP。圖7表示顯示裝置DISP的構(gòu)成例。顯示裝置DISP由發(fā)光二極管LD10、驅(qū)動發(fā)光二極管LD10的變換器IV10和用于限制發(fā)光二極管LD10的電流的電阻R10構(gòu)成。顯示裝置DISP，例如，在設(shè)置時(shí)當(dāng)與外部無線終端的無線通信成功時(shí)和當(dāng)發(fā)生故障等的異常狀態(tài)時(shí)點(diǎn)亮，由顯示裝置控制線DC對點(diǎn)亮或熄滅進(jìn)行控制。
又，LNA起動端子控制線LC、RFSW發(fā)射接收切換控制線RC和LNA電源線VDD1由RFSW/LNA控制電路LSC進(jìn)行控制。在圖8中，表示該控制電路LSC的構(gòu)成例?？刂齐娐稬SC的2個(gè)輸入端子LI1和LI2由從處理器芯片CHIP2的可編程序輸入輸出電路PIO輸出的信號進(jìn)行控制。當(dāng)起動放大器LNA時(shí)，通過設(shè)定LI1為“0”，使電源截?cái)嚅_關(guān)PS20處于導(dǎo)通狀態(tài)，使放大器LNA的電源線CDD1導(dǎo)通。這時(shí)當(dāng)設(shè)定LI2為“1”和設(shè)定LNA起動控制線LE為“0”，因此使放大器LNA活性化。與此同時(shí)通過將具有與控制線LE相同電平的RFSW控制線RS-1設(shè)定為“0”，并且由變換器IV21將RFSW控制線RS-2設(shè)定為“1”，使高頻開關(guān)RFSW導(dǎo)通接收路徑，截?cái)喟l(fā)射路徑。另一方面，當(dāng)將LI2設(shè)定為“0”時(shí)，使放大器LNA非活性，并且使高頻開關(guān)RFSW導(dǎo)通發(fā)射路徑，截?cái)嘟邮章窂健?br> 下面我們總結(jié)本實(shí)施例的特征。
(1)通過將處理微弱高頻無線信號的高頻電路和除此以外的數(shù)字部分分開在基板BO1的表面和里面上，減少噪聲的影響，提高接收靈敏度。如在背景技術(shù)中說明了的那樣，存在著當(dāng)使用傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，對最大發(fā)射功率分派嚴(yán)厲制約的情形。在這種情形中，在RF芯片單體中接收靈敏度不足，需要由外附的高頻低噪聲放大器LNA增補(bǔ)接收靈敏度。但是，即便設(shè)置這種放大器，當(dāng)不能夠?qū)碜詳?shù)字部分的噪聲的回轉(zhuǎn)進(jìn)入抑制到最小限度時(shí)，就不能夠放大想要放大接收信號。為了抑制噪聲的回轉(zhuǎn)進(jìn)入，在這種情形中使RF單元和數(shù)字單元遠(yuǎn)距離地分開具有最大的效果。但是，在傳感器節(jié)點(diǎn)中，極力希望尺寸，特別是表面積小，因?yàn)楦哳l電路和數(shù)字電路的距離增大所以使表面積變大，這是不希望的。
因此，將高頻電路和數(shù)字電路分離在基板的表里面上，在基板內(nèi)部設(shè)置對屏蔽噪聲信號有效的接地平面和電源平面。首先，來自數(shù)字電路的噪聲被該接地平面所屏蔽，可以極力抑制噪聲到RF單元的回轉(zhuǎn)進(jìn)入。進(jìn)一步，通過直接在接地平面的下面配置電源平面，可以使電源平面和接地平面之間具有靜電容。能夠?qū)⒃撿o電容用作有效地吸收可能從數(shù)字電路回轉(zhuǎn)進(jìn)入高頻電路的噪聲的旁路電容。通過該靜電容能夠?qū)⒔?jīng)過電源電路可以從數(shù)字電路回轉(zhuǎn)進(jìn)入高頻電路的噪聲抑制到最小限度。特別是，通過盡可能地將電源平面和接地平面在基板BO1的一面上展開，可以將電源單元的阻抗抑制到很小。結(jié)果，例如，即便來自數(shù)字電路的噪聲多少回轉(zhuǎn)進(jìn)入高頻電路，因?yàn)閷㈦娫醋杩挂种频胶苄?，所以也可以將噪聲成分的電壓振幅抑制到很小。這是因?yàn)樵肼曤妷河苫剞D(zhuǎn)進(jìn)入的噪聲電流和電源阻抗之積表示的。如上所述，例如即便從數(shù)字電路到高頻電路回轉(zhuǎn)進(jìn)入多少噪聲，也可以將噪聲電壓抑制到使高頻電路誤動作，或者，屏蔽來自天線的微弱的RF信號程度的電平以下。
在本實(shí)施例中，在基板的表面和里面這兩個(gè)面上高密度地安裝部件的情形中，為了進(jìn)一步提高接收靈敏度，不僅分離安裝面，而且也對在各安裝面上的配置位置下工夫。如圖1和圖2所示，在本實(shí)施例中，采取使在RF芯片的輸入端、放大器LNA、高頻開關(guān)RFSW和天線ANT1這樣的高頻電路中處理電平微弱的高頻無線信號的部分盡可能遠(yuǎn)離數(shù)字電路中的數(shù)字信號頻繁地在“0”/“1”之間遷移，噪聲發(fā)生量大的電路的配置。圖9是容易理解地說明這種構(gòu)造的圖。
如圖9所示，將由天線ANT1接收的微弱的高頻無線信號RFS1輸入到高頻開關(guān)RFSW。在高頻開關(guān)RFSW中進(jìn)行選擇，將經(jīng)過幾分衰減的高頻無線信號RFS2輸入到放大器LNA，以預(yù)定的放大率對其進(jìn)行放大。將經(jīng)過放大的高頻無線信號RFS3導(dǎo)入匹配電路MA，將經(jīng)過阻抗匹配的高頻無線信號RFS4輸入到RF芯片CHIP1。在RF芯片CHIP1內(nèi)，將高頻無線信號RFS4解調(diào)為數(shù)字信號DJS1，經(jīng)過接口IF1將其取入到處理器芯片CHIP2。
在稱為無線LAN那樣的無線通信設(shè)備中，一般用于以數(shù)字信號進(jìn)行通信的連接器，用于與個(gè)人計(jì)算機(jī)本體交換數(shù)字信號，在連接器中，交換高頻度地在“0”/“1”之間遷移的，即高速的數(shù)字信號。因此，存在著使連接器遠(yuǎn)距離地離開天線的例子。與此相對，在本實(shí)施例的傳感器節(jié)點(diǎn)SN1中，是外部傳感器與連接器CN1連接，在連接器CN1和處理器芯片CHIP2之間交換的信號DJP1是遷移非常慢的天線信號，或比處理器芯片CHIP2的時(shí)鐘信號低速的數(shù)字信號。因此，在本實(shí)施例中將連接器CN1配置在天線ANT1～RF芯片CHIP1的信號路徑附近的位置上，將處理器芯片CHIP2配置在離開天線ANT1～RF芯片CHIP1的信號路徑遠(yuǎn)的位置上。如果改變表現(xiàn)，則以使連接器CN1和RF芯片CHIP1的距離比處理器芯片CHIP2與RF芯片CHIP1的距離長的方式配置連接器CN1。這樣，圖9所示的部件配置能夠很好地捕捉傳感器節(jié)點(diǎn)特有的信號流，成為可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)尺寸小型化和提高接收靈敏度兩者的部件配置。
(2)將電源截?cái)嚅_關(guān)(請參照圖1、2、8)插入高頻低噪聲放大器LNA的電源線中，抑制待機(jī)時(shí)的消耗電流。一般，高頻低噪聲放大器LNA消耗電流大，即便在待機(jī)時(shí)也消耗約10μA的電流。該電流值對于由于尺寸和用途的制約不能夠得到充分的電源的傳感器節(jié)點(diǎn)來說是過分大的值。但是也存在著沒有放大器LNA不可能達(dá)到實(shí)用的通信距離的情形。
因此，如圖8所示，將電源截?cái)嚅_關(guān)PS20插入放大器LNA的電源線中，由于該P(yáng)S20消減待機(jī)時(shí)的消耗電流。該電源截?cái)嚅_關(guān)，如圖10(a)～(e)所示，可以使用(a)由P-MOSFET MP1構(gòu)成，(b)由PNP雙極晶體管BP1構(gòu)成，(c)由N-MOSFET MN1構(gòu)成，(d)由NPN雙極晶體管BN1構(gòu)成，(e)原封不動地利用可編程序輸入輸出電路PIO的輸出等的種種類型。在無論哪個(gè)類型中，如果將從處理器芯片CHIP2的可編程序輸入輸出電路PIO的輸出端子驅(qū)動的控制端子SC1～5設(shè)定在“1”或“0”上，則能夠截?cái)嗟絃NA的電源供給。實(shí)際上，盡管當(dāng)開關(guān)元件MP1～BN1斷開時(shí)也流過若干漏電流，但是目錄值具有0.1μA以下的量級，可以認(rèn)為這種斷開時(shí)的漏電流對電池壽命幾乎沒有影響。
另一方面，工作時(shí)，由于這些開關(guān)元件MP1～BN1的內(nèi)部電阻，是電壓發(fā)生若干下降。但是，例如，圖10(a)的類型等，當(dāng)開關(guān)元件MP1接通時(shí)的內(nèi)部電阻能夠?yàn)?Ω左右。如已經(jīng)述說了的那樣，放大器LNA工作時(shí)的消耗電流約為10mA，由開關(guān)元件MP1引起的電壓下降約為50mV(＝5Ω×10mA)，是一個(gè)可以忽視的值。此外，如圖1(e)所示，當(dāng)處理器芯片CHIP2的可編程序輸入輸出電路PIO的輸出驅(qū)動能力十分充裕時(shí)，即當(dāng)可以充分供給工作時(shí)需要的電流值以上的電流值時(shí)，沒有如圖10(a)～(d)所示的開關(guān)元件，也可以驅(qū)動放大器LNA的電源。
這樣在本實(shí)施例中，當(dāng)不使用放大器LNA時(shí)(接收時(shí)以外)，使電源截?cái)嚅_關(guān)PS20遷移到截?cái)酄顟B(tài)，當(dāng)使用放大器LNA時(shí)(接收時(shí))，使電源截?cái)嚅_關(guān)PS20遷移到導(dǎo)通狀態(tài)。實(shí)際上，即便使電源截?cái)嚅_關(guān)從截?cái)酄顟B(tài)遷移到導(dǎo)通狀態(tài)，也需要等待放大器LNA的內(nèi)部電路達(dá)到穩(wěn)定，典型地需要約1ms。但是，一般傳感器節(jié)點(diǎn)SN1的等待時(shí)間與工作時(shí)間比較是非常長的，因?yàn)榕c情況有關(guān)，假定工作時(shí)間整體約為1％左右，所以可以忽視由到接收狀態(tài)的切換等待時(shí)間引起的消耗功率的增加部分。
(3)將電源截?cái)嚅_關(guān)(請參照圖2)插入傳感器(內(nèi)藏和外附)的電源線中，能夠抑制待機(jī)時(shí)的消耗電流。可以說將與本實(shí)施例的第2特征相同的原理應(yīng)用于削減傳感器待機(jī)時(shí)的消耗電流。例如，如圖2所示，內(nèi)藏的溫度傳感器TS1的電源線VDD2能夠通過電源截?cái)嚅_關(guān)PS1當(dāng)未使用溫度傳感器TS1時(shí)截?cái)嚯娫础，F(xiàn)在，關(guān)于溫度傳感器已經(jīng)開發(fā)出低消耗功率的類型(消耗電流約為5μA)，作為電源截?cái)嚅_關(guān)PS1即便是圖10(e)那樣的類型，也可以充分供給工作所需的電流。圖10(e)的類型不需要追加分立元件，能夠不追加成本地實(shí)現(xiàn)。
又，為了削減外附傳感器的消耗功率，也通過電源截?cái)嚅_關(guān)PS2截?cái)噙B接外附傳感器的連接器CN1的電源線VDD3(請參照圖2)。一般，外附傳感器的消耗功率在待機(jī)時(shí)和工作時(shí)都比內(nèi)藏溫度傳感器大。例如，在加速度傳感器中需要1mA的消耗電流，又，在外附傳感器自身中沒有轉(zhuǎn)移到待機(jī)狀態(tài)的功能的情形是很多的。因此，如本實(shí)施例那樣，如果不使用電源截?cái)嚅_關(guān)，則用鈕扣電池預(yù)期只能夠得到1周左右(8.3日＝200mAh/1mA/24h)的工作壽命。進(jìn)一步在大電流放電時(shí)發(fā)生電池容量惡化現(xiàn)象的情形中，預(yù)期最多只有數(shù)日。與此相對，通過用電源截?cái)嚅_關(guān)只在使用時(shí)供給電源，在不使用時(shí)截?cái)嚯娫?，可以飛躍地提高電池壽命。
這種構(gòu)成在外附傳感器由于某種原因在短路模式中發(fā)生故障的情形中也是有效的。即，當(dāng)外附傳感器在短路模式中發(fā)生故障和不截?cái)嗤飧絺鞲衅鞯碾娫磿r(shí)，瞬時(shí)中從電池流出大電流，使電池用完。但是在本實(shí)施例中具有外附傳感器的電源通常處于斷開狀態(tài)，只當(dāng)使用傳感器時(shí)才投入電源那樣的構(gòu)成。進(jìn)一步，因?yàn)橥ㄟ^構(gòu)成電源截?cái)嚅_關(guān)的開關(guān)元件供給電源，所以也能夠由開關(guān)元件的接通電阻將短路時(shí)的電流抑制到很低，并且，通過由于短路而流過大電流，發(fā)生由電池內(nèi)部電阻引起的電壓下降，不能夠確保為了使開關(guān)元件保持接通所需的偏置電壓，電源截?cái)嚅_關(guān)自動地回到斷開狀態(tài)。
在這期間，處理器芯片CHIP2經(jīng)過內(nèi)藏的AD變換電路ADC讀入外附傳感器的輸出值，但是因?yàn)樘幱诙搪窢顟B(tài)，所以只能讀出還是在“0”電位附近的異常值。因此，如果給予將在這種情形中判斷為異常的異常信號無線發(fā)射給搭載在處理器芯片中的控制軟件那樣的功能，則可以從外部檢測該傳感器節(jié)點(diǎn)的外附傳感器陷入不良工作這一情況。進(jìn)一步，在檢測出異常信號的系統(tǒng)中，也可以向該傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出中斷使用外附傳感器的控制命令，以不使用發(fā)生問題的外附傳感器的方式繼續(xù)傳感器節(jié)點(diǎn)的工作。進(jìn)一步，如后所述，如果從存儲在處理器芯片CHIP2的存儲器電路MEM1中的ID號碼，能夠分離出外附傳感器發(fā)生故障的傳感器節(jié)點(diǎn)，則也可以處理交換等。
下面，我們詳細(xì)說明用于避免由工作時(shí)的消耗電流引起的鈕扣電池的電池容量惡化現(xiàn)象的功率控制方法(請參照圖11)。傳感器節(jié)點(diǎn)，在設(shè)置節(jié)點(diǎn)并起動(P100)后，實(shí)施初期設(shè)定程序(P110)，并立即轉(zhuǎn)移到待機(jī)程序(P120)。在初期設(shè)定程序P110中，根據(jù)存儲預(yù)先存儲在處理器芯片CHIP2的存儲器電路MEM內(nèi)的非易失性存儲部分中的工作參數(shù)等的PDATA文件，將傳感器節(jié)點(diǎn)的工作模式設(shè)定在所要的狀態(tài)。在PDATA文件中，例如存儲著以數(shù)種時(shí)間間隔從待機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到工作狀態(tài)的定時(shí)器間隔、無線通信的傳送速率、使用的頻帶、和將固有號碼分配給每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的ID號碼等的信息。進(jìn)一步，在后述的工作模式判定程序(P200)中加以使用。也將放大器LNA、RF芯片CHIP1、處理器芯片CHIP2、外附傳感器等的消耗電流值存儲在PDATA文件中。此外，在初期設(shè)定程序P110中，處理器芯片CHIP2在低消耗功率模式中工作，也斷開處理器芯片CHIP2的主時(shí)鐘X2和RF芯片CHIP1的時(shí)鐘X1。又，也截?cái)嗟絺鞲衅骱头糯笃鱈NA的電源供給。
在待機(jī)程序P120中，只有處理器芯片CHIP2內(nèi)的定時(shí)生成電路TIM處于工作狀態(tài)，將工作部分抑制帶最小限度。通過這樣地設(shè)定，可以使待機(jī)時(shí)的工作電流為數(shù)μA，典型地可以削減到5μA以下。此外，當(dāng)發(fā)生在初期設(shè)定程序P110中設(shè)定的定時(shí)器間隔中發(fā)生的定時(shí)器插入時(shí)，轉(zhuǎn)移到下面的CPU起動程序(P130)。又，如果使處理器芯片的插入線與連接器CN1(圖2)連接，則通過來自外部的插入，也可以在接通要求下，起動傳感器節(jié)點(diǎn)。
由CPU起動程序P130，使處理器芯片CHIP2的主時(shí)鐘X2接通，起動CHIP2內(nèi)的處理器電路CPU。起動后，轉(zhuǎn)移到工作模式?jīng)Q定程序(P200)。
在工作模式?jīng)Q定程序P200中，通過參數(shù)/命令解析子程序(P220)，從已經(jīng)說明了的PDATA文件，讀入每個(gè)器件的消耗電流。這時(shí)，也能夠讀入從外部無線終端發(fā)送過來的接收到的命令，例如傳感器數(shù)據(jù)的發(fā)射要求等。命令，例如，是“起動溫度傳感器，發(fā)射其結(jié)果”。下面根據(jù)讀入的參數(shù)和命令，在消耗電流推定子程序(P230)中，推定實(shí)施所需的消耗電流。在時(shí)間表子程序(P210)中，除了滿足來自基站的要求外，以使消耗電流的峰值成為最小的方式，在下面繼續(xù)決定讀出程序(P300)和數(shù)據(jù)發(fā)射接收程序(P400)的起動方式。
例如，在讀出程序P300中，當(dāng)起動工作時(shí)的消耗電流約為數(shù)mA，與發(fā)射接收數(shù)據(jù)所需的消耗電流(10mA～20mA)比較不能忽視的外部傳感器時(shí)，不同時(shí)起動數(shù)據(jù)發(fā)射接收程序P400。圖12所示的是這時(shí)的傳感器節(jié)點(diǎn)的典型的消耗電流的波形。另一方面，在起動的傳感器是內(nèi)藏的溫度傳感器等，是只消耗約數(shù)μA電流的傳感器的情形中，同時(shí)起動數(shù)據(jù)發(fā)射接收程序P400。圖13所示的是與該情形對應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)的典型的消耗電流波形。通過這種功率控制，可以減少消耗電流的峰值。
讀出程序P300的工作如下所示。首先，在外部/內(nèi)藏傳感器判定子程序(P310)中，判定起動的傳感器的類別。其次通過傳感器電源起動子程序(P320)，如果是內(nèi)藏傳感器則將PS1設(shè)定為接通，如果是外部傳感器則將PS2設(shè)定為接通。其次，在通道打開子程序(P330)中，為了讀出內(nèi)藏或外部傳感器的傳感器結(jié)果打開所需的通道。例如，當(dāng)讀取圖2所示的內(nèi)藏溫度傳感器TS1時(shí)，起動處理器芯片CHIP2的AD變換電路ADC，將ADC的輸入端子I2設(shè)定在可以讀入狀態(tài)。又，當(dāng)想要起動的傳感器是與圖2所示的連接器CN1連接的外部傳感器時(shí)，將對應(yīng)的AD變換電路ADC的輸入端子，或者，可編程序輸入輸出電路PIO的輸入輸出端子設(shè)定在所要的工作模式中。這樣一來，設(shè)定在可以讀取來自傳感器的數(shù)據(jù)的狀態(tài)中。而且，在下一個(gè)傳感器數(shù)據(jù)讀出/寫出子程序(P340)中，實(shí)際上由處理器芯片CHIP2讀取傳感器數(shù)據(jù)，存儲在存儲器電路MEM上的文件SDATA中。如果以上述順序?qū)⑺膫鞲衅鲾?shù)據(jù)寫出到文件SDATA內(nèi)，則在下一個(gè)通道關(guān)閉/ADC斷開子程序(P350)中，將使用的AD變換電路ADC和可編程序輸入輸出電路PIO轉(zhuǎn)移到待機(jī)狀態(tài)，結(jié)束讀出程序P300。
下面，我們說明數(shù)據(jù)發(fā)射接收程序P400的工作。首先第1，在時(shí)鐘X1接通子程序(P410)中，使RF芯片CHIP1的時(shí)鐘X1開始，起動RF芯片CHIP1。這時(shí)，由處理器芯片CHIP2起動RF芯片CHIP1是經(jīng)過已經(jīng)說明了的控制信號線CS以RF芯片規(guī)定的形式進(jìn)行的。其次由發(fā)射接收工作判定子程序(P420)，判斷是否需要進(jìn)行發(fā)射或接收中的哪一個(gè)工作。在該程序中，例如，最初從傳感器節(jié)點(diǎn)到基站發(fā)射傳感器數(shù)據(jù)，此后傳感器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到接收狀態(tài)。傳感器節(jié)點(diǎn)在接收狀態(tài)中待機(jī)，直到從基站將基站沒有錯(cuò)誤地接收到發(fā)射的傳感器數(shù)據(jù)的確認(rèn)信號返送過來為止。由子程序P420實(shí)施以上的順序控制。下面，我們說明發(fā)射和接收工作。
當(dāng)發(fā)射工作時(shí)，由子程序P430，將高頻開關(guān)RFSW切換到發(fā)射狀態(tài)。又，經(jīng)過控制信號線CS將使用的傳送速率和頻帶等的通信參數(shù)發(fā)送給RF芯片CHIP1。接著，由子程序P440，從存儲器MEM上的文件SDATA讀出傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)信號線DS發(fā)送給RF芯片CHIP1，通過無線通信將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)射到外部。
當(dāng)接收工作時(shí)，由子程序P450，設(shè)定高頻開關(guān)RFSW和RF芯片CHIP1的通信參數(shù)，并且將LNA電源截?cái)嚅_關(guān)PS20設(shè)定在導(dǎo)通狀態(tài)，進(jìn)一步，使LNA的起動端子活性化。接著，由子程序P460接收數(shù)據(jù)，需要時(shí)寫入到PDATA內(nèi)。
此外，在以上的說明中為了簡略化進(jìn)行了省略，但是實(shí)際上，因?yàn)榉糯笃鱈NA的起動和高頻開關(guān)RFSW的切換，進(jìn)一步，RF芯片CHIP1的時(shí)鐘X1的起動分別需要直到穩(wěn)定的時(shí)間(典型地，數(shù)100μs～數(shù)ms)，所以在各個(gè)程序中需要只與該時(shí)間相當(dāng)?shù)牡却幚?。同樣，放大器LNA的電源切斷和RF芯片CHIP1的時(shí)鐘切斷也需要直到穩(wěn)定的時(shí)間，需要等待時(shí)間處理。
最后，如果接收來自基站的接收確認(rèn)信號，則在子程序P470中，停止時(shí)鐘X1，使RF芯片CHIP1回到斷開狀態(tài)。進(jìn)一步，在子程序P140中，停止處理器芯片CHIP2的主時(shí)鐘X2，轉(zhuǎn)移到待機(jī)程序P120。
這樣，在本實(shí)施例中事前判斷需要的消耗電流，選擇不使鈕扣電池的電流容量惡化的方式。即，當(dāng)傳感器消耗數(shù)mA的消耗電流時(shí)，同時(shí)起動數(shù)據(jù)發(fā)射接收和傳感器，就會給予鈕扣電池很可能使其電池容量深刻惡化的沉重負(fù)載。圖14所示的是該情形中的消耗電流的波形例。與圖12所示的應(yīng)用本發(fā)明的控制方式的情形比較峰值電流(Ip3)成為相當(dāng)大的值(Ip3＞Ip1)。另一方面，如果比較圖12和圖14則可以看到，在圖12的控制方式中，因?yàn)樵谄饎觽鞲衅骱筮M(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)射接收，所以為了結(jié)束一連串的處理所需的時(shí)間加長(Ttotal1＞Ttotal3)。又，平均消耗電流，圖12的情形要大幾分。但是，當(dāng)作為傳感器節(jié)點(diǎn)SN1的電源用CR2032等的鈕扣電池時(shí)，在不使電池容量惡化的范圍內(nèi)能夠使用的消耗電流最多為0.1mA量級。另一方面，傳感器節(jié)點(diǎn)的工作需要10mA量級的電流。但是，存在著以這種電流值使用鈕扣電池時(shí)使電池壽命極端惡化那樣的問題。為了避免這種問題，在我們驗(yàn)證的范圍內(nèi)，抑制消耗電流的峰值是最有效的。即，為了在鈕扣電池工作的傳感器節(jié)點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)長壽命工作，需要將消耗電流的峰值抑制到盡可能低的值，這是必不可少的。因此，即便平均消耗電流多少增大，考慮鈕扣電池的特性的本實(shí)施例的控制方式也能夠在長期間中用鈕扣電池穩(wěn)定地進(jìn)行工作。
另一方面，當(dāng)傳感器的消耗電流約為數(shù)μA時(shí)，即便與數(shù)據(jù)的發(fā)射接收同時(shí)使傳感器工作，也幾乎不改變消耗電流的峰值。即，在起動傳感器時(shí)，一面讀出來自該傳感器的數(shù)據(jù)一面發(fā)射傳感器數(shù)據(jù)，能夠節(jié)約一連串作業(yè)中花費(fèi)的時(shí)間。即，因?yàn)樵诙虝r(shí)間中轉(zhuǎn)移到待機(jī)狀態(tài)，所以這能夠抑制電池消耗。
根據(jù)以上那樣的功率控制方法，可以進(jìn)行考慮到鈕扣電池的特性的工作，結(jié)果，當(dāng)鈕扣電池工作時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)長壽命工作。
圖15表示由3塊基片構(gòu)成傳感器節(jié)點(diǎn)的例子。傳感器節(jié)點(diǎn)由本體基板BO1，電源基板BO2和控制軟件寫入基板BO3構(gòu)成。當(dāng)通常使用時(shí)，將本體基板BO1和電源基板BO2的組合起來使用。又，當(dāng)改寫控制軟件時(shí)等，將本體基板BO1和控制軟件寫入基板BO3組合起來使用。其中，因?yàn)楸倔w基板BO1的構(gòu)成與已經(jīng)說明了的傳感器節(jié)點(diǎn)SN1相同，所以我們省略對它的詳細(xì)說明。
電源基板BO2由與本體基板BO1連接的連接器CN2、連接外附傳感器的專用傳感器通道SP1、截?cái)鄠鞲衅魍ǖ繱P1的電源的電源截?cái)嚅_關(guān)PS21、功率接通重置電路POR1、手動重置開關(guān)SW2、外部電源連接器PP1、電源選擇開關(guān)SW1、鈕扣電池BAT1、調(diào)整器REG1構(gòu)成。電源基板BO2經(jīng)過連接器CN2將來自內(nèi)藏的鈕扣電池的功率供給本體基板BO1。又，將用于經(jīng)過CN2從本體基板BO1讀出傳感器的信號線配置在傳感器通道SP1中，可以連接外附的傳感器。
同樣，控制軟件寫入基板BO3由與本體基板BO1連接的連接器CN3、連接外附傳感器的專用傳感器通道SP2、截?cái)鄠鞲衅魍ǖ繱P2的電源的電源截?cái)嚅_關(guān)PS21、功率接通重置電路POR2、手動重置開關(guān)SW3、外部電源連接器PP1、調(diào)整器REG2和搭載在處理器芯片上的程序改寫通道DPB構(gòu)成?；錌O3從與外部電源連接器PP1連接的外部電源得到功率，供給本體基板BO1工作所需的功率。進(jìn)一步，經(jīng)過程序改寫端子DPB，改寫搭載在本體基板BO1的處理器芯片上的控制軟件。該程序改寫端子的信號線經(jīng)過連接器CN3、CN1，與處理器芯片的程序改寫端子連接，經(jīng)過該端子改寫搭載的控制軟件。
如以上那樣，將傳感器節(jié)點(diǎn)分到各個(gè)基板上進(jìn)行構(gòu)成，具有下列優(yōu)點(diǎn)。即，通常使用時(shí)也可以不將不需要的程序改寫端子搭載在本體基板BO1上。因此，可以減小本體基板的尺寸。另一方面，當(dāng)確認(rèn)/調(diào)整軟件工作時(shí)，相反地難以處理尺寸過小的傳感器節(jié)點(diǎn)。通過圖15那樣的構(gòu)成，也可以在尺寸不成為問題的控制軟件改寫基板上引出調(diào)整所需的信號線等。即，可以削減花費(fèi)在調(diào)整作業(yè)上的時(shí)間，可以大幅度的縮短花費(fèi)在開發(fā)上的時(shí)間。
圖16所示的是使用本發(fā)明的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)筑傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的例子。在圖16中，SN1～SN6是本發(fā)明的傳感器節(jié)點(diǎn)，例如，為了控制建筑物整體的空調(diào)，散布在建筑物整體中。這些散布的傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信，與基站BS1進(jìn)行無線通信，發(fā)送讀出的溫度數(shù)據(jù)?；綛S1由天線ANT1、無線通信接口RF1、處理器CPU1、存儲器MEM1、二次存儲裝置STR1、顯示裝置DISP1、用戶接口裝置UI1和網(wǎng)絡(luò)接口NI1構(gòu)成。其中，二次存儲裝置STR1，典型地，由硬盤等構(gòu)成。又，顯示裝置DISP1由CRT等構(gòu)成，用戶接口裝置UI1由鍵盤/鼠標(biāo)等構(gòu)成。在圖17中，表示了在本系統(tǒng)中從傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)射給基站的傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)構(gòu)造?；綛S1經(jīng)過無線接口/天線，與傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，讀出溫度等的測定數(shù)據(jù)。在基站BS1中，根據(jù)接收到測定數(shù)據(jù)，按照存儲在二次存儲裝置STR1或存儲器MEM1上的品質(zhì)判定程序QPR1，對建筑物整體的溫度進(jìn)行控制。進(jìn)一步，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)接口NI1，通過以因特網(wǎng)等為代表的廣域網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)WAN1，可以與遠(yuǎn)距離的管理服務(wù)器SV10進(jìn)行通信。
通過使用本發(fā)明的傳感器節(jié)點(diǎn)，首先，因?yàn)榻邮侦`敏度良好，所以即便基站位于遠(yuǎn)處，也可以確實(shí)地與基站進(jìn)行通信。即，因?yàn)槟軌蛳鳒p基站的數(shù)量，所以能夠大幅度地削減導(dǎo)入傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)所需的成本。進(jìn)一步，本發(fā)明的傳感器節(jié)點(diǎn)，因?yàn)殡姵貕勖荛L，所以不需要頻繁地更換電池可以沒有問題連續(xù)地進(jìn)行工作。即，可以大幅度削減傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)整體中的維護(hù)費(fèi)用，可以用低成本構(gòu)筑具有所要功能的傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明能夠提供可以高靈敏度、低功率消耗進(jìn)行工作的傳感器節(jié)點(diǎn)，因此，可以構(gòu)筑各種不同領(lǐng)域中的傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種電子裝置，其特征在于包括基板；用于連接傳感器的連接器；經(jīng)由上述連接器從上述傳感器接受輸入的傳感器數(shù)據(jù)，形成發(fā)射數(shù)據(jù)的第1信號處理電路；和將來自第1信號處理電路的上述發(fā)射信號變換成高頻信號的第2信號處理電路，其中，將上述連接器和上述第1信號處理電路安裝在上述基板的第1面上，將上述第2信號處理電路安裝在上述基板的第2面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子裝置，其特征在于在上述基板上，設(shè)置抑制從上述第1信號處理電路產(chǎn)生的噪聲傳送到上述第2信號處理電路的屏蔽層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電子裝置，其特征在于作為上述屏蔽層，設(shè)置被給予第1電位的第1平面層和被給予第2電位的第2平面層；上述第1電位是上述第1信號處理電路的基準(zhǔn)電位，上述第2電位是上述第1信號處理電路的電源電位。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電子裝置，其特征在于形成上述第1平面層作為比上述第2平面層更接近上述基板的第2面的層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子裝置，其特征在于將上述連接器配置在上述連接器與上述第1信號處理電路之間的距離比上述第2信號處理電路與上述第1信號處理電路之間的距離長的位置上。
6.一種電子裝置，其特征在于包括放大高頻信號的放大器；對由上述放大器所放大的高頻信號進(jìn)行解調(diào)的高頻電路；和控制上述放大器和上述高頻電路的工作的處理器電路；上述高頻電路是CMOS電路，上述放大器是由不是CMOS兼容的處理器形成的電路；上述處理器電路除了接收上述高頻信號時(shí)以外，切斷向上述放大器的電源供給。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電子裝置，其特征在于上述放大器和上述高頻電路是分別集成在不同芯片上的電路；上述放大器具有工作模式和待機(jī)模式。
8.一種電子裝置，其特征在于包括將發(fā)射信號變換成高頻信號的高頻電路；用于連接傳感器的連接器；和經(jīng)過上述連接器從上述傳感器接受輸入的傳感器數(shù)據(jù)，形成上述發(fā)射信號的處理器電路，其中，經(jīng)由上述連接器向上述傳感器供給電源；上述處理器電路使上述傳感器間歇地工作，當(dāng)不使上述傳感器工作時(shí)切斷向上述傳感器的電源供給。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電子裝置，其特征在于具有內(nèi)藏在上述電子裝置中的內(nèi)藏傳感器；上述處理器電路使上述內(nèi)藏傳感器間歇地工作，當(dāng)不使上述內(nèi)藏傳感器工作時(shí)截?cái)嘞蛏鲜鰞?nèi)藏傳感器的電源供給。
10.一種控制方法，它是用鈕扣電池供給電源的電子裝置的控制方法，其特征在于電子裝置具有可以同時(shí)實(shí)施內(nèi)部處理和與外部裝置的發(fā)射接收處理的構(gòu)成；當(dāng)判斷上述內(nèi)部處理所需的消耗電流和上述發(fā)射接收處理所需的消耗電流之和超過規(guī)定的電流量時(shí)，在不同的定時(shí)實(shí)施上述內(nèi)部處理和上述發(fā)射接收處理；當(dāng)判斷上述內(nèi)部處理所需的消耗電流和上述發(fā)射接收處理所需的消耗電流之和不超過規(guī)定的電流量時(shí)，在重復(fù)的定時(shí)實(shí)施上述內(nèi)部處理和上述發(fā)射接收處理。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的控制方法，其特征在于上述內(nèi)部處理是用傳感器的讀出處理。
全文摘要
本發(fā)明提供適合于作為傳感器節(jié)點(diǎn)的，具有高靈敏度的無線功能，并且可以低功率消耗工作的電子電路。該電子電路具有基板(BO1)、用于連接傳感器的連接器(CN1)、經(jīng)過連接器從傳感器接受輸入的傳感器數(shù)據(jù)，形成發(fā)射數(shù)據(jù)的第1信號處理器電路和將來自第1信號處理器電路的發(fā)射信號變換成高頻信號的第2信號處理器電路(CHIP1)，將連接器和第1信號處理器電路安裝在基板的第1面上，將第2信號處理器電路安裝在基板的第2面上。
文檔編號H04B1/38GK1667975SQ20041007498
公開日2005年9月14日 申請日期2004年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月9日
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