智能傳感器信號處理(上)

　　摘要：闡述了智能傳感器信號處理的特點(diǎn)、種類(lèi)，及DSC和智能傳感器的典型應用——溫度傳感器及指紋識別方案。

　　關(guān)鍵詞：智能傳感器;處理;DSC;溫度傳感器;指紋識別

　　智能傳感器信號處理的概念

　　傳感器是用于檢測、監視和響應(如有需要)溫度、壓力、濕度和運動(dòng)等物理參數的器件。它們是許多實(shí)際系統不可或缺的組件，在工業(yè)、消費電子、汽車(chē)、醫療和軍事方面應用非常廣泛。過(guò)去，從傳感器獲取的數據被直接發(fā)送到中央單元，然后中央單元可能會(huì )使用分立式硬件或數字邏輯對傳感器數據執行后處理或顯示。隨著(zhù)8位單片機(MCU)等嵌入式處理器解決方案的出現，將程序固定的中央硬件替換為可通過(guò)編程來(lái)執行應用所需特定任務(wù)的MCU所帶來(lái)的優(yōu)勢愈加明顯。但是，8位MCU只能執行計算密集度不大的系統基本處理任務(wù)。

　　傳感器信號融合

　　傳感器應用復雜度的飛速提升使得將更強大的智能嵌入到傳感器接口勢在必行。很多應用均采用多個(gè)傳感器來(lái)獲取各種測量數據，并且采用十分先進(jìn)的方法對數據進(jìn)行處理。在某些情況下，必須同時(shí)處理來(lái)自多種傳感器的信號(因而需要利用同一個(gè)MCU)，這種情形可以稱(chēng)為“傳感器信號融合”。每種類(lèi)型的傳感器都有自己的信號特性，并且需要通過(guò)不同的后處理來(lái)從中提取有用的信息，這就會(huì )增大CPU計算量和外設數據處理量。

　　容錯

　　對于處理器而言，監視傳感器信號和檢測可能會(huì )引起系統完全失效的錯誤也非常有用;檢測出錯誤情況之后可完全關(guān)閉系統或切換到冗余備份傳感器。如果在錯誤檢測流程中再加入一個(gè)步驟，就可以在故障實(shí)際發(fā)生之前對其進(jìn)行預測，這將大大簡(jiǎn)化現場(chǎng)硬件維護和保養。此類(lèi)“容錯”算法和技術(shù)可能會(huì )相當復雜，需要更高的計算能力、更大的存儲容量和更豐富的外設功能，因此有必要升級到16位MCU。

　　分布式處理

　　在許多應用中，傳感器物理地分散在較廣的區域內，如分散在大型建筑或工廠(chǎng)內，或分散在汽車(chē)的不同零部件內。對于這樣的分布式系統來(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低效。要減輕中央控制單元在處理和數據存儲方面的壓力，最好將處理能力分散到多個(gè)靠近傳感器或者甚至與傳感器集成的MCU上。但是這種“分布式傳感器處理”方法需要各種強大的信號轉換和通信外設。

　　智能傳感器處理信號鏈

　　傳感器信號處理包括各種各樣的嵌入式應用，但是我們可以概括地定義代表傳感器處理系統特點(diǎn)的通用信號鏈。傳感器應用的主要組件是傳感元件(也稱(chēng)為變換器)、信號調理電路(多數是模擬電路元件)，以及嵌入式微處理器(或者，在某些情況下是簡(jiǎn)單硬連線(xiàn)的數字邏輯電路或專(zhuān)用IC，即ASIC)。

　　傳感元件

　　傳感元件(實(shí)際上就是“傳感器”的意思)是用于將感興趣的物理參數轉換成某種電信號的器件。智能傳感器處理應用經(jīng)常使用多個(gè)傳感元件，它們或者屬于同一類(lèi)型(例如空調系統中的多個(gè)熱敏電阻)，或者屬于不同類(lèi)型(例如一臺工業(yè)機械設備中的熱電偶和一氧化碳探測器)。每種類(lèi)型的傳感器都有自己的一套信號調理和數據后處理要求。

　　可以根據所測量的物理參數對傳感元件進(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/超聲波傳感器，位置/運動(dòng)傳感器，加速計，圖像傳感器，光傳感器等。

　　也可以根據傳感器輸出的電信號的類(lèi)型對傳感器進(jìn)行分類(lèi)。概括而言，共有4種常見(jiàn)的傳感器類(lèi)型：電壓傳感器、電流傳感器、頻率傳感器、數字傳感器。

　　傳感器的信號調理電路

　　簡(jiǎn)單地說(shuō)，信號調理電路將傳感元件的輸出信號映射到其余電子電路或應用軟件可以處理的范圍內。傳感器應用所需的具體信號調理電路取決于所采用的傳感器的類(lèi)型。例如，某個(gè)傳感器根據所測量的物理參數的大小產(chǎn)生輸出電壓，其需要的信號調理能力可能不同于產(chǎn)生可變電阻的傳感器。從本質(zhì)上說(shuō)，傳感器應用均有以下共同的信號調理要求。

　　首先，傳感器產(chǎn)生的信號必須盡量避免混入噪聲。而且，信號的頻譜(也就是信號帶寬)必須根據某些約束條件限制在特定的范圍內。因而常常有必要使用一種稱(chēng)為防混疊濾波器的器件。其次，傳感器產(chǎn)生的信號(不管是電壓、電流還是頻率)的振幅通常較小。為了準確處理信號，使系統盡量不受噪聲的影響，需要將信號放大。