簡(jiǎn)析智能傳感器訊號(hào)處理的市場(chǎng)需求

傳感器是用于偵測(cè)、監(jiān)控和響應(yīng)溫度、壓力、濕度和運(yùn)動(dòng)等物理參量的設(shè)備。它們是許多實(shí)際工作系統(tǒng)不可或缺的零組件，在工業(yè)、消費(fèi)、汽車(chē)、醫(yī)療和軍事方面應(yīng)用非常廣泛。在過(guò)去，從傳感器獲得的數(shù)據(jù)被直接發(fā)送至中央控制單元，然后中央控制單元可能會(huì)使用外掛的硬件組件或數(shù)字邏輯對(duì)傳感器數(shù)據(jù)執(zhí)行后制或顯示。

隨著8位微控制器(MCU)等嵌入式處理器解決方案的出現(xiàn)，將固定的中央硬件替換為可透過(guò)程序執(zhí)行應(yīng)用所需特定任務(wù)的微控制器所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)愈加明顯。但是，8位微控制器只能提供給計(jì)算密集度不大的系統(tǒng)做一些基本處理任務(wù)。

為此，智能傳感器訊號(hào)處理的需求逐漸浮現(xiàn)，而其具備的條件包括以下幾項(xiàng)：

傳感器訊號(hào)融合

傳感器應(yīng)用復(fù)雜度的急速提升，使得將更強(qiáng)大的智能嵌入至傳感器接口變得勢(shì)在必行。很多應(yīng)用均采用多個(gè)傳感器來(lái)獲取各種測(cè)量數(shù)據(jù)，并且運(yùn)用十分先進(jìn)的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

在某些情況下，必須同時(shí)處理來(lái)自多種傳感器的訊號(hào)，因而須利用同一個(gè)微控制器，這種情況可以稱為「?jìng)鞲衅饔嵦?hào)融合」。每種類(lèi)型的傳感器都有各自的訊號(hào)特性，并且須要透過(guò)不同的后制從中提取有用的信息，這會(huì)增加中央處理器(CPU)的運(yùn)算量和周邊數(shù)據(jù)處理量。

容錯(cuò)技術(shù)需求大增

對(duì)于處理器而言，監(jiān)控傳感器訊號(hào)和偵測(cè)可能引起系統(tǒng)完全故障的錯(cuò)誤也非常有用。檢測(cè)出錯(cuò)誤情況后，可完全關(guān)閉系統(tǒng)或切換到多余備分傳感器。如果在錯(cuò)誤檢測(cè)流程中再加入一個(gè)步驟，就可以在故障實(shí)際發(fā)生前對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)，這將大大簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)硬件維護(hù)和保養(yǎng)。

此類(lèi)容錯(cuò)算法和技術(shù)可能會(huì)相當(dāng)復(fù)雜，需要更高的運(yùn)算能力、更大的內(nèi)存以及容易與更豐富的周邊功能，因此有必要升級(jí)到16位微控制器。

分布式處理

在許多應(yīng)用中，傳感器實(shí)際分散在較廣的區(qū)域內(nèi)，如分散在大型建筑或工廠內(nèi)，或分散在汽車(chē)的不同零件內(nèi)。對(duì)于這樣的分布式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，集中式處理/控制方法往往被證實(shí)無(wú)效，或者在最佳情況下仍然效能不彰。

要減輕中央控制單元在處理和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存方面的壓力，最好將處理能力分散到多個(gè)靠近的傳感器，或者甚至與傳感器整合的微控制器上。但是這種分布式傳感器處理方法需要各種強(qiáng)大的訊號(hào)轉(zhuǎn)換和通訊周邊。

剖析智能傳感器處理訊號(hào)鏈

傳感器訊號(hào)處理包括各式各樣的嵌入式應(yīng)用，但可以概括地定義代表傳感器處理系統(tǒng)特點(diǎn)的通用訊號(hào)鏈。傳感器應(yīng)用的主要組件是感測(cè)組件(也稱為轉(zhuǎn)換器)、訊號(hào)調(diào)整電路(多數(shù)是模擬電路組件)，以及嵌入式微處理器(在某些情況下是簡(jiǎn)單硬件電路的數(shù)字邏輯電路或ASIC)(圖1)。

感測(cè)組件種類(lèi)多樣

感測(cè)組件(實(shí)際上就是「?jìng)鞲衅鳌?是用于將關(guān)注的物理參量轉(zhuǎn)換成某種電子訊號(hào)的裝置。智能傳感器處理應(yīng)用經(jīng)常使用多個(gè)感測(cè)組件，它們屬于同一類(lèi)型，如空調(diào)系統(tǒng)中的多個(gè)熱敏電阻，或者屬于不同類(lèi)型，例如一臺(tái)工業(yè)機(jī)械設(shè)備中的熱電偶和一氧化碳探測(cè)器。每種類(lèi)型的傳感器都有自己的一套訊號(hào)調(diào)整和數(shù)據(jù)后制要求，可以根據(jù)所測(cè)量的物理參量對(duì)感測(cè)組件進(jìn)行廣義分類(lèi)，例如溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、氣體/化學(xué)傳感器、聲音/超音波傳感器、位置/運(yùn)動(dòng)傳感器、加速計(jì)、圖像傳感器、光傳感器。

也可以根據(jù)傳感器輸出的電子訊號(hào)的類(lèi)型對(duì)傳感器進(jìn)行分類(lèi)。概括而言，共有四種常見(jiàn)的傳感器類(lèi)型：

電壓傳感器

產(chǎn)生隨感興趣的物理量而變化的輸出電壓。

電流傳感器

產(chǎn)生變化的電流。

頻率傳感器

產(chǎn)生電壓波形，該波形的頻率取決于待測(cè)量。

數(shù)位傳感器

只根據(jù)輸入?yún)?shù)產(chǎn)生數(shù)字電壓數(shù)據(jù)。在某些情況下，所產(chǎn)生的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)只是二進(jìn)制0/1訊號(hào)。此類(lèi)傳感器的輸出在本質(zhì)上不同于大多數(shù)其它傳感器，后者產(chǎn)生的訊號(hào)在模擬范疇變化。

訊號(hào)調(diào)整電路設(shè)計(jì)視傳感器類(lèi)型而定

簡(jiǎn)單地說(shuō)，訊號(hào)調(diào)整電路將感測(cè)組件的輸出訊號(hào)規(guī)畫(huà)到其余電子電路或應(yīng)用軟件可以處理的范圍內(nèi)。傳感器應(yīng)用所需的具體訊號(hào)調(diào)整電路，取決于所采用的傳感器的類(lèi)型。例如，某個(gè)傳感器根據(jù)所測(cè)量的物理參數(shù)大小產(chǎn)生輸出電壓，其需要的訊號(hào)調(diào)整能力，可能不同于產(chǎn)生可變電阻的傳感器。從本質(zhì)上說(shuō)，傳感器應(yīng)用均有以下共同的訊號(hào)調(diào)整要求。

首先，傳感器產(chǎn)生的訊號(hào)必須盡量避免混入噪聲。而且，訊號(hào)的頻譜(亦即訊號(hào)頻寬)必須根據(jù)某些約束條件限制在特定的范圍內(nèi)，因而常常有必要使用一種稱為迭頻消除濾波器的設(shè)備。其次，不管是電壓、電流還是頻率，傳感器所產(chǎn)生訊號(hào)的振幅通常較小。為了準(zhǔn)確處理訊號(hào)，讓系統(tǒng)盡量不受噪聲的影響，須要將訊號(hào)放大。

除了濾波和放大外，還須使用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)將訊號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，這增加了訊號(hào)調(diào)整要求。除了要放大訊號(hào)外，可能還須要對(duì)訊號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其能適應(yīng)不同的ADC參考電壓。但是，很多ADC，尤其是微控制器或數(shù)字訊號(hào)控制器(DSC)中包含的ADC，僅對(duì)單極性輸入有效。換句話說(shuō)，輸入電壓不能相對(duì)地在正負(fù)電位之間變換。在這種情況下，就必須使用電壓位準(zhǔn)移位器。

顯示出某個(gè)具體的傳感器處理應(yīng)用所需的訊號(hào)調(diào)整電路。在本例中，使用一個(gè)三運(yùn)放差動(dòng)放大器將熱電偶產(chǎn)生的差動(dòng)輸出電壓放大，然后送入內(nèi)建模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器C的輸入端。與此相似，ADC的另一個(gè)輸入，可用于補(bǔ)償熱電偶引線結(jié)點(diǎn)和印刷電路板(PCB)布線交匯處產(chǎn)生的電壓的影響，而且更多用于補(bǔ)償后者。