信號處理任務的執行的製作方法

2023-10-05 09:24:04

專利名稱：信號處理任務的執行的製作方法
技術領域：
本發明涉及包括具有信號處理系統和能量源的電路的設備，所述信號處理系統用於執行多個預定信號處理任務，所述能量源用於在所述設備的操作使用中對所述電路供電。所述能量源可操作成使得可獲得隨著能量源的使用壽命而變化的能量數量。本發明還涉及在這種設備中使用的電路以及執行預定信號處理任務的方法。
背景技術：
作為使得可獲得隨著能量源的使用壽命而變化的能量數量的能量源的一個示例， 考慮一種能量收集器(energy scavenging),該能量收集器與存儲所收集能量的能量存儲器相組合。措辭「能量收集」和「能量收穫(harvesting)」是指本領域中已知的用於將來自外部源的周邊的雜散能量轉換為電能的技術。例如，壓電晶體可被用來將來自振動的機械能轉換為電能。作為另一個示例，兩個不同電導體之間的溫度差可被用來生成電導體結兩端的電壓或者流經該電導體結的電流。作為再一個示例，考慮一種被製成移動通過線圈的磁鐵，結果造成附著該磁鐵的物質的振動或循環運動。該運動磁鐵產生線圈中的磁通量的變化，並且在該線圈中感應一電動勢。因此，可使用多種技術來從環境中提取能量。從它的環境中提取雜散能量(stray energy)並且使得所提取的能量可用來消耗的組件稱作能量收集器。為了完整，用來修飾上面討論的能量源的如此處所使用的術語「變化」和「改變」涵蓋了其中能量數量在一個範圍上可以變化的情形，以及也涵蓋了完全缺乏能量的情形。所提取的能量可被存儲在例如(充電)電池、電容器或者超級電容器的能量存儲裝置中。超級電容器也已知為雙電層電容器。由於使用了大大增加層的表面面積的納米多孔 (nano-porous)材料層，超級電容器是比傳統電容器具有高得多的能量密度的電化學電容器，從而允許更多的電荷載體存儲在任何給定空間。使用能量收集器的典型應用是對小型獨立電子裝置(例如傳感器或致動器)供電。 這些裝置較小且需要很少的功率。它們的應用受到電源的可靠性的限制。從周邊振動、風、 熱、光等收集能量使得能夠補充由電子裝置消耗的能量，並且使得該裝置能夠在與預計的應用相比足夠長的時間跨度上繼續工作。這樣的裝置可以例如適用於條件監控應用中。美國專利申請公開2008/0047363公開了這樣一種裝置，即其可被附著到一種結構或者鮮活對象並且能夠從它的環境收穫能量以便供以動力感測、存儲和發送關於該結構或鮮活對象的數據。該已知裝置包括能量收穫器和用於存儲所收穫能量的能量存儲裝置。 該已知裝置也包括傳感器、用於調節傳感器信號的調節器、用於處理代表調節後的傳感器信號的數據的處理器、數據存儲器和數據發送器。該已知的裝置包括控制傳感器所消耗的功率、能量收穫無線傳感裝置的信號調節、處理和發送組件的微控制器。由所有已知裝置的組件(傳感器、調節器、處理器、數據存儲器和數據發送)所消耗的功率必須與所收穫的能量數量一致。最小化收集並發送數據所需的功率相應地降低了對電源的要求。功耗降低本質上有利於使用所收穫能量的系統的性能。功耗的降低可以通過在控制由傳感器消耗的功率、能量收穫無線傳感裝置的信號調節、處理和發送組件的微控制器中使用嵌入軟體來實現。通過調整這些組件啟動的時間，例如，可以降低功耗。另外微控制器可被編程來處理和存儲所感測的信息，而不是立即發送所感測的信息，以便減少數據發送事件的頻率。微控制器被編程進入睡眠模式並且切斷對其他組件的供電。該微控制器在睡眠模式中消耗少量能量以保持計時器運行。當到了喚醒的時間時，該微控制器估計能量存儲裝置可用的能量級別。如果該級別太低，則微控制器返回到睡眠模式。如果該級別合適，則微控制器恢復對其他組件的供電，執行預定的任務並且再次返回到睡眠。

發明內容
本發明的實施例涉及一種包括具有用於執行多個預定信號處理任務的信號處理系統的電路的設備。該設備也包括被配置用來在所述設備的操作使用中對所述電路供電的能量源。所述能量源可操作來提供隨著所述能量源的使用壽命而變化的能量數量。所述電路被配置用來確定從所述能量源中可獲得的能量數量；和根據所確定的數量來選擇所述多個預定信號處理任務中的特定一個用於執行。預先不可知的是，從用於對電路供電並且使得信號處理系統能夠執行預定信號處理任務中的一個或多個特定任務的能量源中是否可獲得足夠能量。信號處理系統需要特定數量的能量來執行和完成預定信號任務中的特定一個。如果從能量存儲裝置不能獲得足夠的能量用來執行特定任務，則不能執行任務。能量源的變化的能量級別使得信號處理系統對於執行任務的持續時間不能依靠醒著或者甚至運行。從能量源中可獲得的能量將隨著時間而變化。如果從能量源中可獲得足夠用於執行特殊的預定信號處理任務的能量，則本發明中的設備的上面實施例充分利用這種不確定並且僅執行該特殊任務。注意，在任務必須在被預先確定的特殊時刻開始的意義上，或者在被預先確定的特殊其他時刻結束的意義上，在本發明的設備中將要執行的任何信號處理任務不是時間關鍵(time-critical)的。這在本發明中採用的手段上是本質的，因為可用來對信號處理系統供電的能量隨著能量源的使用壽命而變化。結果，預先並不知道是否和何時可以執行信號處理任務中的特定一個。在本發明的設備中，首先確定可從能量源中獲得的數量能量。一旦已經確定可獲得的能量數量，假設所確定的可獲得的能量數量，就可以確定將要執行哪一個信號處理任務。因此，是否選擇預定信號處理任務中的特定一個用來執行取決於可用於電路的能量數量。然而，除了可用於電路的能量數量，所述選擇也可以通過其他標準來共同確定。例如，多個預定信號處理任務被組織為安排好的列表，例如具有開始和結尾的線性陣列，或者循環陣列(其中任務的順序自身重複)，因此預定信號處理任務中的特定一個是用於執行的可選擇的候選，只要已經執行了在該列表中的特定預定信號處理任務之前的其他預定信號處理任務。例如，如果在列表中到每個下一任務的輸入依靠列表中前一任務的輸出，則採用這種手段。為此，信號處理系統維持關於它們的執行已經成功完成的那些特定一個預定信號處理任務的歷史日誌或者仍舊必須執行的那些特定預定信號處理任務的邏輯實施。將要接著執行的特殊預定信號處理任務是從根據歷史日誌仍舊等待執行的並且其能量要求匹配可獲得的能量數量的那些預定信號處理任務中選擇的。例如在非易失性存儲器中維護這樣的歷史日誌隨後是本發明的設備中的信號處理系統的內務處理任務之一。在線性陣列或循環陣列的信號處理任務中，可以設置標記來表示將要執行的下一信號處理任務，而不是維護歷史日誌。作為另一個示例，每個相應一個預定信號處理任務被預先分配相應的優先級。例如，第一個預定信號處理任務被分配第一優先級，並且第二個預定信號處理任務被分配第二優先級，該第二優先級低於第一優先級。在對信號處理系統可獲得的能量數量足夠用於執行第一預定信號處理任務或第二預定信號處理任務的情況下，作為它的更高優先級的結果，電路選擇該第一預定信號處理任務。在優先級在預定信號處理任務當中例如根據每曰的時刻、已經執行的預定信號處理任務、已執行的特殊預定信號處理任務的輸出等可以變化的意義上，所分配的優先級可以變得動態。隨後是信號處理系統的內務處理任務之一來在非易失性存儲器中維護最近分配的優先級的概括。在本發明的其他實施例中，所述能量源包括能量收集器，用於收集周邊能量；和能量存儲裝置，被配置用來存儲所述能量收集器收集的周邊能量。所述能量存儲器包括例如電容器、超級電容器或電池，例如充電電池。在一些情形下可以使用拋棄式電池(即形式上不可充電電池)，因為拋棄式電池仍然可被充電至某一程度。所收穫的能量最終被用來對信號處理系統供電。能量收集器是否能夠在某一時間間隔期間收穫能量，以及如果能，則收穫多少取決於外部固有的不可預測的情況。結果，預先不知道在某一時刻是否將從能量存儲裝置中可獲得足夠的能量來對信號處理系統供電，並且從而使得信號處理系統執行預定信號處理任務中的一個或多個特定任務。因此，確定從能量存儲裝置中可獲得的第一數量能量，並且隨後確定可獲得的數量是否足夠用以執行預定信號處理任務中的一個或多個特定任務。為了完整，對於打算進行以下區分的任何人來說，如貫穿該文本和權利要求書所使用的措辭「能量收集器」也打算涵蓋能量收穫器的概念。能量收集器從動態系統中的處理的附帶效果中提取能量。例如，考慮從運轉滾動體式軸承或平面軸承中由不可避免的摩擦所產生的熱量得到能量。實際上，如果發生的話，從附帶效果中提取能量幾乎不會影響處理本身。能量收穫器從處理本身提取能量，並且從而影響系統。原則上，從處理中排出的能量必須被驅動該處理的電源替換。例如，考慮安裝在自行車上的發電機來對自行車的頭燈和後燈供電。該發電機通過自行車的旋轉前輪或後輪來驅動，該自行車的旋轉前輪或後輪依次由騎車人他/她自己通過踏板來驅動。在其他實施例中，所述能量源包括電池，例如拋棄式電池。作為使用期間電池組件中發生的化學和物理變化的結果，拋棄式電池的性能隨著時間逐漸地降低。儘管電池的能量存儲屬性和放電屬性可被預先選擇為適用於電池的預期應用，電池在變得耗盡之前無法一直提供預期數量的電流或功率。這使得難以確保電池作為能量源的可靠持續時間。在這個實施例中，根據從電池中可獲得的能量數量來確定接著將要執行的信號處理任務。在其他實施例中，電池被布置成與電容器並聯或與超級電容器並聯。當拋棄式電池放電時，它的內部歐姆電阻增加。結果，每單位時間可以提供給與電池連接的負載的能量數量減小。電容器或超級電容器提供了比電池更低的內部阻抗，從而增加了每單位時間可用於負載(即電路)的能量數量。在電容器或超級電容器被電路耗盡之後，電池對電容器或超級電容器充電。根據電池的放電狀態，電池可能要花費一些時間來對電容器或超級電容器再充電。然而，一旦電容器或超級電容器已被再充電，與直接從電池可獲得的(即，在缺乏電容器或超級電容器的情況下從電池中可獲得)相比，從電容器或從超級電容器中可獲得更多的功率(每單位時間的能量)。注意，能量源可以包括能量收集器和能量存儲裝置，該能量存儲裝置包括電池和電容器。電池用來存儲所收穫的能量，但是電容器被布置用來向信號處理系統提供低阻抗。在本發明的設備的實施例中，電路包括能量控制組件。如果從能量源中可獲得的第一幅度數量能量高於第一預定閾值，則所述能量控制組件連接能量源和信號處理系統。 如果從能量源中可獲得的第二幅度數量能量低於第二預定閾值，則所述能量控制組件斷開連接能量源和信號處理系統。所述第一預定閾值比所述第二預定閾值高一個表示信號處理系統所需的在它準備關閉時(零功率)用來運行它的內務處理任務的保留數量能量的數量。能量控制組件例如利用具有磁滯現象的電壓相關開關(例如Schmitt觸發器、電壓範圍傳感器或窗口鑑別器)來實現。這些實體在本領域中是已知的。考慮以下情形作為示例。假設起初沒有從能量源中可獲得的足夠能量來對信號處理系統供電。進一步假設從能量源中可獲得的能量數量開始增加。遲早，從能量源中可獲得的能量數量將超過第一預定閾值。當這發生時，能量控制組件將能量源與信號處理系統連接。信號處理系統開始工作並且電路確定可獲得的能量數量是否足夠用於執行信號處理任務。只要可獲得的能量不足以執行任何信號處理任務，信號處理系統就保持在低功率模式，其中信號處理系統周期性地或者重複地檢查從能量源中可獲得的能量數量。如果能量數量隨後再次減少並且下降到第二預定閾值以下，則能量控制組件將能量源與信號處理系統斷開連接。結果，信號處理系統關閉。相反，如果可獲得的能量數量增加，該可獲得的能量數量將遲早超過執行特定一個信號處理任務所需的數量。當電路已經確定存在從能量源中可獲得足夠數量的能量來執行未決信號處理任務時，信號處理系統開始執行該未決信號處理任務。可獲得的能量數據隨後再次下降或者保持在基本相同的級別或進一步增加。可獲得的能量數量的改變至少部分地取決於電路所消耗的能量數量。在能量被電路消耗的同時，可獲得的能量數量可以保持基本相同的級別或者可以增加。例如，能量源包括能量收集器，該能量收集器繼續收集基本等於或大於由電路消耗的用於執行信號處理任務的能量數量的其他能量數量。作為另一個示例，能量源包括並聯結構的電池和電容器。該電池利用基本等於或大於經由電容器提供來對信號處理系統供電的其他電流的幅度的電流保持對電容器充電。如上所指定的，電路確定從能量源中可獲得的能量數量是否足以執行未決的信號處理任務。作為一種選擇，足夠數量能量的幅度考慮信號處理任務執行它的內務處理任務所需的能量。在當能量控制組件關閉時信號處理系統完全關閉的準備過程中，內務處理任務包括例如在非易失性存儲器中保存狀態信息。在根據本發明的設備的其他實施例中，所述設備包括數據源和數據目的地，並且所述信號處理系統包括數據處理系統，例如一個或多個微處理器和/或一個或多個微控制器。數據處理系統可操作用來在指令控制下處理輸入數據並且提供輸出數據。數據源將輸入數據提供給數據處理系統，並且數據目的地從數據處理系統接收作為處理後的輸入數據的結果的輸出數據。數據源包括例如被配置用來感測表示所述設備的環境的屬性的物理量的傳感器。該傳感器可操作來生成表示所感測的物理量的輸入數據。數據目的地包括以下中的至少一個用於累積輸出數據的存儲器，例如非易失性存儲器；發送器，用於將輸出數據例如無線地發送到所述設備外部的接收器；和致動器，用於響應於從數據處理系統接收輸出數據而控制以下中的至少一個物理對象的位置、方位和運動。其他實施例的設備感興趣於自主操作的(即無人管理的)小型電路，例如用於基於一個或多個感測的物理量的數據收集、數據發送或數據受控致動。感測的物理量的示例是運動、磁場、壓力、振動、聲音、溫度、溼度、酸度、該設備的環境中存在的特定化學物(例如一氧化碳、氧氣、煙)的數量、流動液體或流動氣體的每單位時間的速度或質量流量、諸如光(可見、紅外或紫外)的入射電磁輻射、物理對象的接近等。該設備隨後用作例如自主傳感器、自主致動器、自主發送器或者自主數據收集器。如上所指定的，電路被配置用來確定從能量源中可獲得的能量數量。確定從能量源中可獲得的能量數量的處理例如通過信號處理系統外部的電路的專用組件或者通過信號處理系統自身來執行。例如，電路包括在能量源和信號處理系統之間的專用組件。考慮該示例，其中能量源處的電壓代表從能量源中可獲得的能量數量。該專用組件包括例如電壓傳感器或電壓範圍傳感器。該專用組件隨後將表示所感測的電壓或所感測的電壓範圍的控制信號提供給信號處理系統。信號處理系統使用該控制信號來確定可以執行哪一個未決的信號處理任務。 例如，信號處理系統具有可用的查找表，其將特定一個信號處理任務與特定數量的能量或功率相關。控制信號使得信號處理系統能夠經由查找表選擇匹配可用能量或功率的信號處理任務中的一個或多個合適的任務。可替換地，信號處理系統本身包括上面的電壓傳感器或上面的電壓範圍傳感器或者它們的功能等效物。然而，在這種情況下，電壓傳感器、電壓範圍傳感器或功能等效物僅當能量源連接到信號處理系統時表現為可工作。與信號處理系統結合的專用組件或功能是否最優可能取決於例如擁有設備或電路的標準設計的願望與擁有集成設計的願望的相比。如更早指定的，電路包括能量控制組件，用於根據從能量源可獲得的第一幅度數量能量是否高於第一預定閾值或從能量源可獲得的第二幅度數量能量是否低於第二預定閾值，條件性地連接能量源和信號處理系統。注意，該專用組件在上面介紹為被配置用來確定從能量源中可獲得的能量數量的實體，以便能夠選擇用於執行的信號處理任務中的一個或多個合適的任務。在本發明的設備的實施例中，能量控制組件包括專用組件。每個的操作基於電壓或電壓範圍的感測。因此這兩者可以使用相同的電壓傳感器或相同的電壓範圍傳感器。如上所指定的，電路被配置用來根據所確定的數量來選擇用於執行的所述多個預定信號處理任務中的特定一個。根據所確定的數量來選擇用於執行的所述多個預定信號處理任務中的特定一個的進一步處理通過例如信號處理系統外部的電路的另外專用組件或者通過信號處理系統自身來執行。例如，該另外專用組件包括上面介紹的專用組件(例如， 電壓傳感器或電壓範圍傳感器)以及另外包括轉換器。該轉換器被配置用來將所感測的電壓或所感測的電壓範圍轉換為其他控制信號。該其他控制信號表示一個或多個特定標識符，每個標識符與相應一個信號處理任務相關聯。該一個或多個特定標識符識別信號處理任務當中的那些特定幾個，其能量消耗要求匹配如電壓傳感器或電壓範圍傳感器所感測的從能量源中可獲得的能量或功率。該轉換器包括例如查找表，該查找表將所感測的電壓或所感測的電壓範圍與信號處理任務中的特定一個或多個相關。該其他控制信號被發送到信號處理系統，以便使得信號處理系統能夠開始所表示的信號處理任務，或者可替換地，從所表示的信號處理任務中選擇那些需要執行的任務或者那些需要執行並且也遵循另外標準的任務，所述另外標準在前面已給出。可替換地，信號處理系統自身包括其他專用組件或等效功能。再者，與信號處理系統結合的其他專用組件或它的功能是否最優可能取決於例如擁有設備或電路的標準設計的願望與擁有集成設計的願望的相比。本發明的實施例可被商業地利用為一種上面指定類型的設備。本發明的其他實施例可被商業地利用為被配置用來供上面指定的設備使用的電路。例如，該電路是容納信號處理系統的普通建築塊。該信號處理系統是例如通過末端用戶可編程的，以便與任何指定數據源(例如指定傳感器)和任何指定數據目的地(例如無線發送器)可組合，和/或以便與上面指定類型的能量源可組合，從而形成根據本發明的設備。作為另一個示例，電路容納信號處理系統和數據源和/或數據目的地，以便為根據本發明的設備形成專用的或定製的組件。本發明的實施例可以進一步被商業地利用為一種控制執行多個預定信號處理任務的方法。所述方法包括確定從能量源中可獲得的能量數量。所述能量數量的幅度隨著所述能量源的使用壽命而變化。所述方法進一步包括根據所確定的幅度來選擇用於執行的所述預定信號處理任務中的特定一個。


通過舉例並且參考附圖來更詳細地解釋本發明，其中圖I是本發明的設備的方框圖；圖2和圖3是圖I的設備的實施例；和圖4是圖解本發明的處理的各方面的流程圖。貫穿附圖，相似或相應的特徵用相同的附圖標記表示。
具體實施例方式圖I是本發明中的設備100的圖形。設備100包括能量源102和具有信號處理系統108的電路106。信號處理系統108被配置用來執行多個預定信號處理任務。能量源102 向電路106供電。能量源102被配置來使得對於電路106可獲得隨著能量源102的使用壽命變化的能量數量。也就是，在能量源102的使用壽命期間的不同時刻，存在不同數量的能量或功率可用於提供給電路106。信號處理系統108包括數據處理系統110、數據源112、數據目的地114和接口 116。接口 116將數據處理系統110連接到數據源112和用以數據通信的數據目的地114。 數據源112被配置用以將輸入數據提供給數據處理系統110。數據目的地114被配置用以從數據處理系統110接收輸出數據。數據處理系統110被配置用以在指令的控制下處理輸入數據並且提供數據處理得到的輸出數據。數據處理系統110在指令的控制下處理從數據源112接收的輸入數據，所述指令表示被選擇用來由信號處理系統108執行的相關的預定信號處理任務。例如，預定信號處理任務中的第一個包括經由接口 116從數據源112取回輸入數據。預定信號處理任務中的第二個包括在數據處理系統110處對所取回的輸入數據執行一個或多個數據處理操作。預定信號處理任務中的第三個包括經由接口 116將第二預定信號處理任務的結果作為輸出數據提供給數據目的地114。在設備100的實施例中，數據源112包括一個或多個傳感器118，用於捕獲關於作為設備100的環境的特性的一個或多個物理量(例如溫度、溼度、機械振動、機械應力或張力等)的信息。為了不模糊繪圖，僅示出了單個傳感器118。傳感器118經由接口 116將表示所捕獲的信息的傳感器數據提供給數據處理系統110。數據處理系統110處理傳感器數據並且經由接口 116將處理的結果提供給數據目的地114。數據目的地114包括例如用於隨時間的過去累積處理結果的存儲器(未示出)，直到外部代理在方便時刻讀取收集處理結果的存儲器。作為另一個示例，數據目的地114包括用於例如經由有線傳輸或無線傳輸將處理的結果發送到設備100外部的接收器(未示出)的發送器(未示出)。作為再又一個示例，數據目的地114包括致動器(未示出)，用於響應接收從處理自傳感器118獲得的傳感器數據得到的結果來控制物理對象(未示出)的位置、方位或運動。所述物理對象包括例如在用於輸送液體的系統中的閥門。該閥門的位置被製作成取決於例如周邊溫度。作為另一個示例，該物理對象包括根據所感測的輻射級別(例如太陽光)將要提升或降低的遮罩。作為另一個示例，該物理對象包括可攜式加熱裝置中基於捕獲太陽功率的反射鏡。該反射鏡的位置相對於地面固定，並且致動器控制反射鏡的方位以便遵循太陽的路徑。裝置100自身的電源是能量源102的形式並且自主地起作用，只要從能量源102 獲得足夠的能量來維持電路106的操作。信號處理系統108執行並完成預定信號處理任務中的特定一個需要特定數量的能量。電路106具有預先確定的、關於執行並完成多個預定信號處理任務中單獨一個所需的單獨數量的能量或功率的可用信息。為了簡潔，與特殊預定信號處理任務相關聯的能量或功率數量包括以下中的至少一個當在指令控制下處理輸入數據時由數據處理系統110消耗的第一數量能量或功率； 當生成輸入數據並且將輸入數據提供給數據處理系統110時由數據源112消耗的第二數量能量或功率；當從數據處理系統110接收處理結果並且對其響應進行動作時由數據目的地 114消耗的第三數量能量或功率。預定信號處理任務中的被選一個確定將要由數據處理系統110執行哪一個數據處理指令。數據處理指令例如控制通過數據處理系統110從數據源 112取回輸入數據、通過數據處理系統110處理輸入數據、或者通過數據處理系統110將輸出數據提供給數據目的地114。例如，如果數據源112包括傳感器(諸如如上所述的傳感器118)，則第二數量能量包括當生成傳感器信號並且將該傳感器信號作為輸入數據提供給數據處理系統110時由傳感器118消耗的能量。作為另一個示例，如果數據目的地114包括如上所述的無線發射器(未示出)，則第三數量能量包括發射所需的能量。作為另一個示例，如果數據目的地114 包括如上所述的致動器(未示出)，則第三數量能量包括在控制物理對象的位置方位或運動時做機械功的同時由致動器消耗的能量。作為另一個示例，如果數據目的地114包括如上所述的非易失性存儲器(未示出)，則第三數量能量包括當來自數據處理系統110的輸出數據被寫入非易失性存儲器時由非易失性存儲器消耗的能量。電路106被配置用來確定從能量源102中當前可獲得的用於對信號處理系統108 供電的能量或功率數量。該確定能夠以各種各樣的方式來實現。例如，電路106自身包括測量裝置(未示出)，其被配置用來測量能量源102展現的並且代表從能量源102中目前可獲得用來對信號處理系統108供電的能量數量的物理量(例如電壓、電荷數量)。可替換地， 能量源102自身容納其他測量裝置(未示出)，其測量能量源102展現的物理量並且向電路 106發送表示從能量源102中可獲得的能量數量的信息。可替換地，如果從能量源中可獲得的能量數量大於預定閾值，則耦接在能量源102與電路106之間的能量控制組件(未示出) 將能量源102自動地連接到電路。隨後當從能量源102中可獲得的能量數量大於預定閾值時，電路106激活。於是可以通過電路106 (例如信號處理系統108)中包括的測量裝置(未示出)來確定精確的可獲得的能量數量。現在假設關於可獲得的能量數量的信息已變得可用於電路106。電路106 (例如信號處理系統108)或電路106的另一專用組件(未示出)生成表示可獲得的能量或功率的數量的控制數據並且將該控制數據提供給數據處理系統110。數據處理系統110使用該控制數據用以根據所確定的數量來選擇預定信號處理任務中的特定一個。然後執行被選擇的信號處理任務。可替換地，電路106 (例如信號處理系統108)或電路106的再一專用組件 (未示出)接收關於可獲得的能量的數量的信息並且將該信息轉換為另一控制數據，該另一控制數據自身表示鑑於從能量源102可獲得的能量數量而可以執行的信號處理任務中的一個或多個特定任務。特定信號處理任務的選擇已被委派給電路106而不是數據處理系統 110的部分。圖2是上面參考圖I討論的設備100的第一實施例200的圖形。在第一實施例 200中，能量源102包括用於收集周邊能量的能量收集器202和被配置用來存儲能量收集器202所收集的周邊能量的能量存儲裝置204。所收穫的能量最終被用來對電路106供電。 能量收集器202是否能夠在某一時間間隔期間收穫能量，以及如果能，則收穫多少能量取決於外部固有的不可預測的情況。結果，預先不知道在某一時刻是否將從能量存儲裝置204 中可獲得足夠的能量或功率來對電路106供電，並且從而使得信號處理系統108能夠執行預定信號處理任務中的一個或多個特定任務。因此，首先確定從能量存儲裝置204中可獲得的能量數量，並且隨後確定可獲得的數量是否足夠用以執行一個或多個特定信號處理任務。電路204也包括能量控制組件206，其功能地位於能量源102與信號處理系統108 之間並且可操作來控制到信號處理系統108的電源。例如，能量控制組件206可操作來在從能量存儲裝置204可獲得的能量數量的控制下接通或切斷到信號處理系統108的供電。如果能量數量超過第一預定閾值，則能量開關接通到信號處理系統108的電源。如果能量數量下降在低於第一預定閾值的第二預定閾值以下，則能量開關切斷到信號處理系統108的電源。第一預定閾值被選中從而從能量存儲裝置204可獲得的相應第一能量數量對於信號處理系統108來說至少足以確定是否已從零功率狀態或從睡眠模式開始。第二預定閾值被選中從而在第一預定閾值處的第一數量能量與在第二預定閾值處的第二數量能量之間的差對於數據處理系統110來說至少足以在它關閉的準備中執行內務處理任務。在能量控制組件206已接通到信號處理系統108的電源之後，信號處理系統108 確定在低功率模式下從能量存儲裝置204可獲得的能量數量，以便能夠選擇預定信號處理任務中的特定一個用以執行。可替換地，能量控制組件206被配置用以向信號處理系統108發送表示鑑於從能量存儲裝置可獲得的能量數量可以執行的預定信號處理任務中的一個或多個特定任務的控制信號。參考以下示例來更詳細地圖解說明如何確定從能量存儲裝置204可獲得的能量數量。考慮設備100的實施例，其中能量存儲裝置204包括電容器(未示出)。如所知的， 電容器處存儲的電荷量「Q」取決於一方面電容器兩端的電壓「V」與另一方面電容器的電容 「C」的乘積。電容C是針對特殊電容器的給定量。電容C是通過製成電容器的材料(導體和電介質)的物理屬性以及電容器的空間尺寸而確定的，所述空間尺寸例如彼此相對的導體的表面積和存儲相反極性的電荷的導體之間的距離。電容器中存儲的能量取決於電壓V與電容C的乘積。因此，能量控制組件206可被配置用來測量電容器兩端的電壓作為從電容器可獲得的能量的代表。考慮設備100的另一實施例，其中能量存儲裝置204包括可被再充電的電池(未示出)。如所知的，電池的內部歐姆電阻在放電情況下增加，而電池的開路電壓在放電情況下減小。對於特殊類型的電池，放電狀態與開路電壓之間的關係是已知的，放電狀態與歐姆阻抗之間的關係也是如此。因此，如果能量存儲裝置204的電池的類型已知，則能量控制組件 206可以測量歐姆阻抗和/或開路電壓，以便確定放電狀態，從該放電狀態例如經由查找表可以確定可獲得的剩餘能量數量。可能的是，可以基於預先獲得的和查找表中編程的測試結果考慮在電池的使用壽命期間電池性能的下降。在上面提及的例如美國專利申請公開2008/0047363中公開了適用於實現能量控制組件206的電路的示例。作為另一個示例，假設能量存儲裝置204用作電壓源。能量控制組件206隨後可以包括DC/DC轉換器(未示出)，其可操作來向信號處理系統108提供固定幅度的電壓，如果能量存儲裝置204具有大於預定閾值的可獲得的能量數量。例如，能量存儲裝置204在以I 伏(V)傳遞I毫安(mAh)時具有ImWh的功率容量。這被假設為足夠用以執行預定信號處理任務中的一個或多個特定任務。然而，為了以穩定可預測的方式起作用，信號處理系統108 需要5V的電源電壓。DC/DC轉換器根據能量源204處的I伏電壓生成5伏電源電壓。作為選擇，總體上，執行被選信號處理任務所需的能量包括DC/DC轉換器和/或能量控制組件 206中包括的能量損失。DC/DC轉換器注意到信號處理系統108在被供電時接收穩定的電源電壓。然而，穩定的恆定電源電壓不是一直必需的。如果能量存儲裝置204能夠以合適的電壓傳遞能量， 則實現沒有DC/DC轉換器的能量控制組件206可能費用不高。在執行預定信號處理任務期間，消耗了能量並且能量存儲裝置204處的電壓下降。如果電壓降足夠小，則在電壓降影響信號處理本身的完整性的意義上，這種下降對於信號處理系統108來說可能不是問題。如上所述，根據從能量存儲裝置204可獲得的能量數量來選擇用於執行的預定信號處理任務。假設對於信號處理系統108在關閉之前執行內務處理任務需要保留能量數量 AE0結果，能量存儲裝置204中可獲得的能量數量必須高於該保留能量數量ΛΕ,以便能夠執行預定信號處理任務。考慮一種示例實施，其中設備100被配置用來執行三個預定信號處理任務。第一預定信號處理任務包括從數據源112獲取輸入數據。輸入數據包括比方說一百個取樣。第二預定信號處理任務包括通過數據處理系統110處理所述取樣，包括應用多個濾波器。取樣的數據處理產生數據處理系統110提供的輸出數據。第三預定信號處理任務包括經由包括無線發送器的數據目的地114發送輸出數據。第一預定信號處理任務需要固定能量數量。輸入數據必須被取回和緩衝。執行第一預定信號處理任務所需的第一能量數量El是固定的，並且可以預先確定。因此，為了信號處理系統108執行第一預定信號處理任務，能量數量El (tot)需要等於第一數量El和保留數量AE之和。第二預定信號處理任務需要也是固定的能量數量E2。第二預定信號處理任務可以用更小的預定信號處理子任務的順序被細分，每一個子任務將應用每個過濾器。每個相應預定信號處理子任務用索引「i」表示，需要相應能量數量E2(i)。一次執行第二預定信號處理任務，因此所需的能量數量E2等於能量數量E2(i)在索引(i)上相加之和與保留量AE 之和。現在考慮以下情形，其中在經由能量控制組件206對信號處理系統108加電與經由能量控制組件206出乎意料之外關閉信號處理系統108之間執行第二預定信號處理任務的所有子任務的少部分。現在，第二預定信號處理任務未完成並且內務處理任務也不能完成。第二預定信號處理任務期間產生的中間結果將會丟失。稍後當能量控制組件206將能量存儲裝置204連接到信號處理系統108時，第二預定信號處理任務將從開始重新啟動。是否可以執行第三預定信號處理任務取決於例如鑑於另一無線發送器或附近無線接收器的幹擾是否數據目的地114中的發送器被允許用於發送。一旦執行已經開始，第三預定信號處理任務是否可以完成也可以取決於設備100從已經接收到由數據目的地114 中的發送器發送的輸出數據的接收器中接收一個確認。簡言之，存在此處包含的條件性方面。而且，執行第三預定信號處理任務所需的能力取決於發送器的發送功率。因此，信號處理系統108可以暫時採取睡眠模式同時等待一時隙，其中發送可以開始。分配一個最大等待時間，其對應於能量數量E3的消耗(沒有等待)。如果在等待時間到期之前不能得到時隙，則信號處理系統108記錄第一故障。無線發送需要能量數量E3 (trans)。可選地，在完成發送之後，信號處理系統 108保持有效並且等待確認。最大等待時間可被設定為對應於能量數量E3的消息(wait ackn)。如果未接收到確認，或者如果接收到否定確認，則信號處理系統110記錄第二故障。如果從能量存儲裝置204中獲得足夠能量和當從能量存儲裝置204中獲得足夠能量時，記錄的第一和/或第二故障隨後可被用來向信號處理系統108表示重新啟動第三預定信號處理任務。一旦記錄第一故障或第二故障，信號處理系統108可以有效地控制能量控制組件206切斷到電路106的功率。關於上面針對第三預定信號處理任務討論的示例實施，注意，作為在能量存儲裝置204處可獲得並且由能量收集器202補充的能量數量的不可預測的結果，在輸入數據的獲取與輸出數據的發送之間逝去的時間的長度不能預先確定。因此令人期望的是對輸入數據印時戳。然而，這在實踐中不太容易。切斷到電路106的電源也停止了電路106的內部時鐘。這個問題的一種解決方案是從外部時鐘(例如無線電源)得到時戳。於是這要求配備有專用組件的信號處理系統108從外部時鐘接收無線電信號並且多個預定信號處理任務之一包括從外部時鐘接收無線電信號並且得到時戳。然而，可能的是，信號處理系統108 在其中信號處理系統108有效的可接受的時間段內無法接收該無線電信號。例如，通過移動實施例200外部的對象暫時阻止從外部時鐘接收無線電信號或者無線電信號的完整性受來自其他無線電源的幹擾的影響。針對如何能夠對輸入數據(或輸出數據)印時戳的問題的另一種解決方案是使用電路106本地的電子日曆時鐘(未示出)。本地日曆時鐘配備有獨立於能量源102的電源 (例如另外的電池)。電子日曆時鐘的功耗對於該另外的電池通常足夠低，以便對該電子日曆時鐘供電達一段相對於設備100的使用壽命的期望或預期持續時間來說較長的時間。原則上，電子日曆時鐘可被配置成使得該另外電池被能量源102再充電以便幾乎不定期地延長電子日曆時鐘的使用壽命。在設備100的實施例中，電子日曆時鐘被集成在與例如數據處理系統110或信號處理系統108相同的半導體基板上作為一個整體。圖3是上面參考圖I討論的設備100的第二實施例300的圖形。在第二實施例 300中，能量源102包括電池302和電容器304，該電容器304與電池302並聯地電布置。電池302包括例如拋棄式電池。如所知的，作為使用期間電池組件中發生的化學和物理變化的結果，拋棄式電池的性能隨著時間逐漸地降低。儘管拋棄式電池的存儲屬性和放電屬性可被預先選擇為適用於電池的預期應用，電池在變得耗盡之前無法一直提供預期數量的電流或功率。這使得難以確保拋棄式電池作為能量源102的部分的可靠操作。電池302與電容器304並聯地電布置。當拋棄式電池放電時，它的內部歐姆電阻增加。結果，每單位時間可以提供給電路106的能量數量(即功率)減小。電容器304現在用作變阻器並且提供比電池304更低的內部阻抗，從而增加了每單位時間可以提供給電路106的能量數量。當作為將電流提供給電路106的結果電容器304放電，電池302對電容器304再充電。根據電池 302的放電狀態，對於電池302來說可能花費一些時間來再充電電容器403。然而，一旦電容器304已被再充電，從電容器304再次可獲得的功率(每單位時間的能量)比從電池302 自身直接可獲得的(即從缺少電容器304的電池302中可獲得的)功率要多。注意，能量源 102可以包括能量收集器202和能量存儲裝置204，該能量存儲裝置204包括電池302和電容器304。電池302隨後用來存儲能量收集器202所收穫的能量，而電容器304被安排成用作具有低阻抗的電源。在圖1、2和3中，數據源112、數據目的地114和接口 116被繪製為信號處理系統 108的部件。如果數據源112、數據目的地114和接口 116形成信號處理系統108的部件， 則能量源102提供用來對信號處理系統108供電的能量被用來對數據處理系統110、接口 116、數據源112和數據目的地114供電。因此，用於根據從能量源102中可獲得的能量數量選擇多個預定信號處理任務中的特定一個的選擇過程考慮執行所選預定信號處理任務中包含的由信號處理系統108的組件消耗的能量數量。在設備100的其他實施例(未示出) 中，用於根據從能用了 102中可獲得的能量選擇預定信號處理任務的選擇過程不考慮將由數據源112、數據目的地114和接口 116消耗的能量數量。如果數據源112、數據目的地114 和接口 116中的特定一個具有其自己的單獨電源或者如果操作使用中消耗的能量相對於信號處理系統108中的一個或多個其他組件消耗的能量忽略不計，則例如不必考慮數據源 112、數據目的地114和接口 116中的特定一個的能量消耗。執行預定信號處理任務需要一定數量的能量或功率，包括例如在通過切斷電力而關閉電源信號處理系統之前將狀態信息保存到非易失性存儲器。當配置設備100時，人們可以將單個大型預定信號處理任務替換為多個小型預定信號處理任務，因此每個小型預定信號處理任務對於它的執行和相關聯的內務處理會比大型預定信號處理任務需要更少數量的能量。這種手段在關於將要執行的特定預定信號處理任務的選擇過程中考慮良好的粒度。而且，比更多數量的能量相比，可以更頻繁地從能量源102中可獲得更少數量的能量。 因此一大組小型預定信號處理任務比一小組大型預定信號處理任務相比可能更令人期待。 例如，第一實施例200的能量源102包括能量收集器202。在任何給定時刻可獲得少量能量的概率比在那個時刻可獲得大量能量的概率要大。結果，與要完成需要大量能量的大型信號處理任務相比，其完成需要少量能量的小型信號處理任務具有更高的機會得到執行。如果信號處理是基於一大組小型信號處理任務，則與在相同信號處理是基於一小組大型信號處理任務的情況相比，在設備100的使用壽命的大部分期間設備100將是運行的。另一方面，大體上，良好粒度(具有大量小型信號處理任務)的後果是比粗糙粒度 (具有少量大型信號處理任務)的情形相比可能具有更多能量由內務處理任務消耗。例如， 在良好粒度的情況下，狀態保存以及將數據寫入到非易失性存儲器將更頻繁。這可能是在能量源102使用電池302的實施例300中的一個缺陷，尤其是在設備100的非常低的功率和/或長使用壽命應用中。隨後通過設備100的設計者基於例如在設備100的操作使用中必須執行內務處理任務的期望頻率、每個內務處理任務所需的能量數量、可獲得能量數量的期望變化等來選擇期望級別的粒度。圖4是圖示根據本發明的示例處理400的各方面的流程圖。在第一步驟402中，設備100被安裝用於操作使用。能量源102與電路106功能地斷開連接。在第二步驟404中，確定從能量源102中可獲得的能量數量。在第三步驟406中，確定在第二步驟404中確定的可獲得的能量數量是否大於預定閾值TH。如果可獲得的能量數量不大於預定閾值TH，則處理400返回到第二步驟404。 如果可獲得的能量數量大於預定閾值TH，則處理400繼續到第四步驟408。在第四步驟，能量源102連接到電路106，因此電路106接收功率。信號處理系統 108和數據處理系統110開始工作，且數據處理系統100進入低功率操作模式。在第五步驟410中，確定從能量源102中可獲得的能量數量。在第六步驟412中，確定從能量源102中可獲得的能量是否足夠用於執行預定信號處理任務中的一個或多個未決任務。如果從能量源102中可獲得的能量不足夠，則處理 400繼續第七步驟414。在第七步驟414中，能量源102與電路106斷開連接，且處理400返回到第二步驟 404。如果在第六步驟412中確定從能量源102中可獲得的能量足夠用於執行預定信號處理任務中的一個或多個未決任務，則處理400繼續第八步驟416。在第八步驟416中，選擇用於執行的未決信號處理任務中的一個或多個特定任務。例如，參考多個預定信號處理任務的列表。該列表將各自選擇標準與預定信號處理任務中的每個各自任務相關聯，各自選擇標準是關於當執行各自預定信號處理任務(包括內務處理)時消耗的各自能量數量。可選地，一個或多個各自附加選擇標準與預定信號處理任務的各自任務相關聯。附加選擇標準和選擇處理的示例已經在上面已給出。在第八步驟 416中，基於第五步驟410中測量的能量數量、基於執行被選預定信號處理任務所需的特殊能量數量以及可選地基於附加選擇標準，預定信號處理任務中的一個或多個特定任務被選擇用以執行。注意，如果第五步驟410中測量的能量數量大於根據列表用於執行預定信號處理任務的單個未決任務所需的能量數量，則預定信號處理任務中的兩個或更多特殊任務可被接連地選擇用以執行。如果第五步驟410中測量的可用數量的能量允許執行第一組預定信號處理任務或允許執行第二組預定信號處理任務，第一組和第二組不同，例如通過數據處理系統110可以運行優化過程，以便能夠確定第一組和第二組中的哪一個要選擇用來執行。該優化處理在數學上已知為「漸縮問題(knapsack problem)」並且是公知的資源分配問題。可替換地，設備100的編程人員或設計者已經預先準備了查找表，其具有針對第五步驟410中測量的所有可能能量級別的該選擇問題的解決方案的詳細目錄。然後，例如在第八步驟418中通過數據處理系統110參考該查找表，以便明確地確定將要執行的相關組的預定信號處理任務。在第九步驟418中，執行信號處理任務中的一個或多個被選任務。一旦完成該一個或多個被選信號處理任務的執行，數據處理系統110在準備關閉的時候進行內務處理任務。該內務處理任務可以包括例如在非易失性存儲器中保存狀態信息或者保存中間數據處理結果。按照慣例在關閉或者進入睡眠模式之前執行內務處理任務。在已經進行內務處理任務之後，數據處理系統Iio關閉。隨後處理400返回到第七步驟414，其中能量源102與電路106斷開連接。為了簡潔此處使用的措辭「信號處理任務」是指包括信號處理系統106的任何任務。信號處理任務的示例已經在上面進行了討論並且包括例如經由無線鏈路(例如RF鏈路) 發送數據分組、控制致動器來調節閥門、對日曆時鐘的其他電池充電等等。已經描述了本發明的許多方面/實施例。將要理解，每個方面/實施例可以與任何其他方面/實施例相結合。因此本發明可以在所附專利權利要求的範疇之內變化。
權利要求
1.一種設備(100),包括電路(106)，具有用於執行多個預定信號處理任務的信號處理系統(108);和能量源(102)，被配置用來在所述設備的操作使用中對所述電路供電，其中所述能量源可操作來提供隨著所述能量源的使用壽命而變化的能量數量；所述電路被配置用來確定從所述能量源中可獲得的能量數量；和根據所確定的數量來選擇所述多個預定信號處理任務中的特定一個用於執行。
2.如權利要求I所述的設備，其中所述能量源包括能量收集器(202)，用於收集周邊能量；和能量存儲器(204)，被配置用來存儲所述能量收集器收集的周邊能量。
3.如權利要求I所述的設備，其中所述能量源包括電池(302)。
4.如權利要求3所述的設備，其中所述能量源包括與所述電池並聯地電布置的電容器 (304)。
5.如權利要求I所述的設備，其中所述電路包括能量控制組件(206)；如果所述數量的第一幅度高於第一預定閾值，則所述能量控制組件可操作來連接能量源和信號處理系統，如果所述數量的第二幅度低於第二預定閾值，則所述能量控制組件可操作來斷開連接能量源和信號處理系統；和所述第一預定閾值高於所述第二預定閾值。
6.如權利要求1、2、3、4或5所述的設備，其中所述信號處理系統包括用於在指令控制下處理輸入數據並提供輸出數據的數據處理系統(110 )；所述設備包括用於將輸入數據提供給數據處理系統的數據源(112)、以及用於從數據處理系統接收輸出數據的數據目的地(114)；所述數據源包括用於感測表示所述設備的環境的物理量的傳感器(118)；所述傳感器可操作來生成代表所感測的物理量的輸入數據；和所述數據目的地包括以下中的至少一個用於累積輸出數據的存儲器；發送器，用於將輸出數據發送到所述設備外部的接收器；和致動器，用於響應於接收輸出數據而控制物理對象的位置、方位和運動中的至少一個。
7.一種被配置用來在如權利要求1、2、3、4、5或6所述的設備中使用的電路。
8.—種控制多個預定信號處理任務的執行的方法，其中所述方法包括確定(410)從能量源(102)中可獲得的能量數量，所述能量源可操作來提供具有隨著所述能量源的使用壽命而變化的幅度的能量數量；根據所確定的數量來選擇(418)所述預定信號處理任務中的特定一個用於執行。
全文摘要
一種設備具有用於執行多個預定信號處理任務的信號處理系統和用於在所述設備的操作使用中對該信號處理系統供電的能量源。所述能量源提供隨著能量源的使用壽命而變化的能量數量。所述信號處理系統確定從所述能量源中可獲得的能量數量，並且根據所確定的數量來選擇所述預定信號處理任務中的特定一個用於執行。
文檔編號G06F1/32GK102612675SQ200980162514
公開日2012年7月25日 申請日期2009年11月18日 優先權日2009年11月18日
發明者F·塔塔, F·維特德 申請人:Skf公司