智能傳感器信號處理(下)

　　類(lèi)似地，需要對熱電偶和紅外(IR)溫度檢測器所產(chǎn)生的非線(xiàn)性輸出進(jìn)行數學(xué)運算，使其線(xiàn)性化。例如，K型熱電偶使用下列線(xiàn)性化多項式：

　　溫度 = a1 * V + a2 * V2 + a3 * V3 +?

　　其中，a1 = 25132.785，a2 = -60883.423 ?，V = 傳感器輸出電壓

　　在dsPIC33F DSC上使用兩個(gè)累加器和DSP指令執行此線(xiàn)性化任務(wù)時(shí)，計算過(guò)程(上述多項式僅計算到第2階)需要7個(gè)指令周期——4個(gè)數據傳送周期、2個(gè)乘法周期以及1個(gè)乘減運算周期。通過(guò)該公式可以很明顯看出，在通用微處理器或MCU架構上執行此運算會(huì )耗費更多時(shí)間，這也間接說(shuō)明了使用DSC的優(yōu)勢。

　　而且，熱電偶的輸出電壓(即使在放大之后)特別容易受60 Hz(或50 Hz，具體取決于區域)的電源線(xiàn)路噪聲影響?？紤]到熱電偶輸出的變化率較慢，此噪聲容易與熱電偶輸出位于同一頻帶，并且需要使用中心頻率為60 Hz的陷波濾波器小心地進(jìn)行濾波。

　　FIR和IIR濾波算法均可以在DSC上高效執行，但是IIR濾波器需要的系數一般要少得多，因而需要較少的乘法和加法運算。不過(guò)，IIR濾波器具有反饋?lái)?，因而?huì )造成一些穩定性方面的難題。幸運的是，數據自動(dòng)飽和是DSC架構中相當常見(jiàn)的硬件特性，可以盡可能降低由于溢出造成的數據損壞。圖5頻率響應圖展示了用于抑制60 Hz電源線(xiàn)路信號的16階IIR陷波濾波器(采樣率為1 kHz)的頻率選擇特性。

　　對于DSP設計經(jīng)驗不甚豐富的系統開(kāi)發(fā)人員而言，設計數字濾波器(尤其是IIR濾波器)過(guò)程中涉及的理論和步驟可能相當復雜，對數學(xué)功底的要求極高。幸運的是，很多DSC制造商和第三方工具廠(chǎng)商都提供了低成本的工具，開(kāi)發(fā)人員只需要在這些工具中指定通帶和阻帶的轉移頻率以及所需的衰減度即可。這些工具可以計算濾波器系數并生成應用軟件可以直接使用的源文件和數據文件。圖3展示了四種最常見(jiàn)的數字濾波問(wèn)題。

　　除了線(xiàn)性濾波和數字濾波外，應用軟件還需要在從熱電偶采樣的電壓中加上從外部溫度傳感器IC(如TC1047A)采樣的電壓，以執行冷結點(diǎn)補償。此外，很可能需要定期計算ADC轉換結果的平均值，具體視所采用的ADC采樣率而定。平均值計算可以通過(guò)DSC架構中通常提供的基于累加器的加法和多位移位運算高效完成。

　　指紋識別

　　在上文中我們已經(jīng)討論了最常見(jiàn)的一類(lèi)智能傳感器應用，現在我們討論一種本質(zhì)上更復雜且計算要求更高的基于傳感器的應用——指紋識別。

　　指紋識別在安全區域(如房間或車(chē)輛)的進(jìn)出控制、設備訪(fǎng)問(wèn)(如手機)、PC或網(wǎng)絡(luò )登錄以及僅作為可靠的個(gè)人身份識別形式等方面的應用日趨增多。目前，市面上有很多類(lèi)型的指紋傳感器，如電容式傳感器、光學(xué)傳感器、熱傳感器和電場(chǎng)傳感器。例如，電容式傳感器依賴(lài)于人手指上的紋路起伏產(chǎn)生的電容變化。

　　負責從指紋傳感器捕捉指紋數據的控制器需要具有某些特性：

　　1.足夠快的ADC，用于接收傳感器采樣的值;

　　2.高速串行通信接口(如SPI)，用于與系統中的其他模塊進(jìn)行通信;

　　3.閃存，用于存儲指紋“模板”數據庫，然后在驗證或識別指紋時(shí)高效訪(fǎng)問(wèn)這些模板。

　　最重要的是，需要擁有強大的DSP功能來(lái)執行指紋匹配操作。最后需要指出的是，控制器應該不僅能夠處理16位數據，還要能夠高效處理8位數據(如DSC可以處理8位和16位的數據)，因為大多數傳感器都使用8位的值來(lái)代表指紋。