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环境智能的心跳

在关于环境智能（AmI）预期出现的对话中，时间——第四个维度——经常被忽视。随着物联网的发展，智能将被应用于使电子系统变得更加智能、具有预测性并且对我们的日常生活更有帮助。随着日常系统变得更加智能，我们的环境将变得敏感和适应性强。然而，如果没有时间基准，这些系统将没有用处，AmI也将无法实现。

环境智能对精确计时的需求

AMI 正在以通信网络和自适应软件的进步为基础。在硬件领域，AmI 将利用传感器、处理器和其他组件的发展，这些组件是嵌入我们周围环境的数百种小型电子设备所需的。虽然 Ami 以这些创新为基础，但计时功能变得越来越重要。

心跳对于任何人体或电气系统的运作都是至关重要的。时钟充当系统的心跳，在许多层面上都是基础。首先，参考时钟使系统活跃起来并保持它们以所需的速度运行。其次，需要精确的定时信号来确保传感器测量的信息准确地分发到智能系统。

时间是这些系统的核心。正如 AMI 依赖于更高级别功能的进步一样，核心计时解决方案必须利用新技术，使 AMI 成为许多人设想的现实。技术进步使计时更加准确可靠、功耗更低、尺寸更小——这对于 AMI 系统至关重要。

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开发精确的智能系统

家庭自动化（Domotics）或家庭自动化是当今使用的智能系统的一个例子。智能家居控制系统需要准确的时间才能变得智能、学习习惯并做出基于数据的决策来预测未来的行为和需求。仅当时基同步时，传感器收集的数据才有效，并且只有以正确的时间顺序记录事件序列时，系统才有用。以触​​发门传感器打开走廊灯为例。如果门传感器或灯开关的时间记录关闭超过几分之一秒，算法将无法了解所需事件的正确时间，并且灯将不会在正确的时间打开。

在当今的互联世界中，实时时钟 (RTC) 的准确性变得越来越重要，并且随着越来越多的物体加入万物互联，这种重要性将会增加。让我们看一个早期智能设备的例子——智能电表，旨在提供更多信息和功能以更好地利用能源。在这种情况下，如果电表时钟运行得很快或者基于错误的计费费率时间间隔，则任何节省或收益都可能被抵消。

智能正在被部署到我们直接的个人环境之外。例如，使用地震传感器网络对建筑物和桥梁进行结构监测或石油勘探突出需要对测量数据进行精确时间戳以进行分析和预测。这些系统及其提供的预测数据的准确性与各个节点的时间同步的准确性成正比。

当今的许多解决方案都使用昂贵且耗电的 GPS 接收器或高功率射频网络来计时。未来的系统将通过新的计时技术来实现，这些技术可提供高精度，但不会产生功耗、体积庞大和费用高昂。这些系统将使用微型、超低功耗、基于 MEMS 的精密计时。

低功耗与精度的关系

除了精度之外，超低功耗技术对于 AmI 的开发也至关重要。低功耗对于自主电池供电系统中使用的实时时钟尤其重要，因为这些计时时钟始终处于开启状态。 MEMS 以及支持它们的 CMOS 技术将发挥至关重要的作用。现代可编程MEMS kHz 时钟消耗微瓦，并具有进一步降低系统功耗的独特功能。此外，MEMS 时钟的更高精确度有助于通过延长睡眠模式时间来降低系统级功耗。

精确计时的重要性在睡眠模式唤醒定时器中显而易见。自主电池驱动节点需要计算和数据传输之间的断电间隔以节省电力。在当前的应用中，低功耗蓝牙 (BLE) 芯片组可延长睡眠时间以节省电量。每个节点都有一个预定义的时隙，该时隙必须与主机通信以保持连接活动并传输数据。如果通过更精确的时间更高效、更准确地执行唤醒和通信功能，系统功耗将大大降低。

频率稳定性以 ppm（百万分之一）为单位测量，是计时精度的关键指标。图 1 显示，通过用可编程 5 ppm MEMS TCXO（温度补偿振荡器）替换 200 ppm 石英晶体，可以节省 25% 的功耗。

在 BLE 系统中使用精密 32 kHz 唤醒时钟实现节能

目前，4G LTE 系统使用 DRX（非连续接收）周期，需要精确的 1.5 µs 睡眠时间来保持手机与网络的连接。在温度快速变化的环境中，频率稳定性必须在 1 至 2 秒的时间内保持优于 1.5 ppm 的精度。连接丢失将导致射频流量产生大量开销，并需要额外的计算工作来重新获取与基站的链接。未来，数据以远远超出当今水平的量无缝传输至无处不在的智能设备，连接性变得极其重要。

1.5 µs 的计时对于传统石英计时组件来说是一个挑战。当今的电子设备中的温度梯度每秒超过 10°C。未补偿的 200 ppm 石英晶体通常每 °C 温度斜率超过 3 ppm，导致 1 秒内频率误差超过 30 ppm。电子温度补偿可以减轻部分影响；然而，石英振荡器受到石英晶体谐振器和电子温度补偿之间缓慢热耦合的限制，使得石英 TCXO 无法有效响应快速温度梯度。相比之下，MEMS TCXO 在快速温度变化下仍能保持频率精度，是处理快速温度梯度的简单解决方案。

持续追求低功耗和小尺寸

为了使智能系统得到广泛采用并嵌入到我们的环境中，它们必须非常小。微米和纳米技术将实现必要的小型化。 MEMS 谐振器每边的尺寸小于 500 µm，高度不到 200 µm，比石英谐振器小 90%，而石英谐振器的尺寸进一步缩小受到物理限制。

晶体谐振器尺寸（左）与 MEMS 谐振器（右）相比

芯片供应商已开始将高精度 MEMS 谐振器集成到他们的产品中，以提供集成度更高的多芯片模块 (MCM)——这是通过封装硅 MEMS技术实现的开发。如果 MEMS 谐振器堆叠在 IC 上，则它在目标系统中消耗的板空间为零。除了缩小规模之外，集成还有很多好处。通过集成时钟，设备不仅可以减少外部引脚，还可以消耗更少的功耗，具有更好的性能和精度，并提高可靠性和防篡改能力。

技术协同工作

随着环境智能的实现，交织到我们环境中的数字对象的数量将会激增。这些设备必须消耗很少的功率，并且通过小型化和集成化而变得不引人注目。 MEMS 技术将在未来发挥关键作用，使系统变得更小、更可靠、功耗更低。重要的是，MEMS 计时将使智能设备更加准确，从而变得更加智能——这是系统具有预测性和响应能力的必要条件。 AmI 建立在多种技术之上，所有技术都协同工作，而先进的计时解决方案将成为核心。

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感谢 SiTime 创始人兼 CTO Markus Lutz 对本文的贡献。

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