一文匯總高性能的智能傳感器應用

在不需要連續觀(guān)測的應用中，平均功耗與噪聲的關(guān)系變得更有意義?；蛟S令人難以置信，但噪聲和功耗的關(guān)系甚至可能變成互補式。這對工程師來(lái)說(shuō)無(wú)疑是個(gè)好消息。因為在之前的設計中，工程師可能因難以確定該讓功耗還是性能主導其設計而延誤了時(shí)機。而現在，無(wú)需等待其他人在這一權衡中做出決定，智能傳感器架構師可自行對權衡范圍內的相關(guān)選項進(jìn)行量化；這一做法將重新定義架構師的工作。

組成智能傳感器架構的5個(gè)部分，你都造嗎？圖1是智能傳感器架構的一般例子，其中包含了最常見(jiàn)的功能。

核心傳感器

智能傳感器節點(diǎn)中的信號鏈從核心傳感器功能開(kāi)始。最基本形式的核心傳感器也稱(chēng)為變換器，其將物理條件或屬性轉換成代表性的電信號。傳感器的比例因子描述其電響應與其監控的物理屬性或條件的線(xiàn)性關(guān)系。

濾波器

濾波器的作用是降低核心傳感器可能支持，但與應用無(wú)關(guān)的頻段中的噪聲。在振動(dòng)監控應用中，這可能是一個(gè)帶通濾波器，它將隨機振動(dòng)與可能指示機器壽命減損的特定頻譜特征分離開(kāi)來(lái)。在傾斜傳感器中，這可能是一個(gè)簡(jiǎn)單的低通濾波器，例如移動(dòng)平均濾波器。這種情況下，時(shí)長(cháng)是建立時(shí)間與濾波器輸出殘余噪聲之間的一個(gè)重要權衡因素。圖2顯示了ADXL355艾倫方差曲線(xiàn)的例子，它表示相對于產(chǎn)生測量的均值時(shí)間，測量的不確定性（噪聲）。

圖2. 艾倫方差曲線(xiàn)：ADXL355和ADXL362

校準

校準功能的作用是通過(guò)應用校正公式來(lái)提高測量精度。在要求極高的應用中，通常是在嚴格受控條件下進(jìn)行測量，通過(guò)直接觀(guān)測傳感器響應來(lái)獲得此類(lèi)校正公式。例如在傾斜傳感器應用中，校準過(guò)程涉及到觀(guān)測MEMS加速度計在多個(gè)不同方向上相對于重力的輸出。這種觀(guān)測的一般目標是觀(guān)測傳感器對足夠多取向的響應，從而求解如下關(guān)系式（參見(jiàn)方程1）中所有12個(gè)校正系數（m11、m12、m13、m21、m22、m23、m31、m32、m33、bx、by、bz）：

數據處理

數據處理功能用于將校準且濾波的傳感器數據轉換成適當的測量結果以對應用提供最佳支持。在振動(dòng)監控系統中，這可能是簡(jiǎn)單的RMS-DC轉換或帶頻譜報警的快速傅里葉變換（FFT）。在傾斜檢測應用中，智能傳感器會(huì )利用如下將傳感器對重力的加速度響應轉換成方位角估計值。

這三個(gè)關(guān)系式分別代表使用一個(gè)、兩個(gè)和三個(gè)加速度計測量結果的傾斜估計，假設各加速度計完全正交。

通信/存儲

通信/存儲功能支持所有物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)的數據分級和連接（加密/安全、存儲和分析）。

周期供電操作，你必須知道的那點(diǎn)事兒電源管理（PM）功能對典型智能傳感器有三個(gè)作用——

1）管理信號鏈中所有器件的上電時(shí)序要求。

2）將電源供應轉換成適當的電壓來(lái)支持信號鏈中所有器件的最優(yōu)運行。

3）在以一定時(shí)間間隔進(jìn)行測量的系統中，提供排程信號來(lái)觸發(fā)每次測量事件。

周期供電是識別智能傳感器節點(diǎn)中此類(lèi)斷續操作的常見(jiàn)方法。在兩次測量事件之間，智能傳感器處于低功耗（或零功耗）狀態(tài)，這種技術(shù)有助于節能。圖3顯示了一個(gè)采用此技術(shù)的智能傳感器在一個(gè)完整測量周期上的瞬時(shí)功耗。

圖3：基本供電周期圖

下方程提供了一個(gè)利用圖3所示運行特性來(lái)估算平均功耗（PAV）的簡(jiǎn)單關(guān)系式。

PON是智能傳感器節點(diǎn)執行采樣并處理數據以產(chǎn)生和傳輸相關(guān)測量結果的平均功耗。

POFF是智能傳感器節點(diǎn)支持低功耗睡眠模式所需的平均功耗。

tON是智能傳感器開(kāi)啟、產(chǎn)生測量結果、將該結果傳輸到物聯(lián)網(wǎng)云、然后關(guān)閉所需的時(shí)間。

tOFF是智能傳感器處于靜止狀態(tài)（睡眠模式或完全關(guān)斷）的時(shí)間。

T為平均測量周期時(shí)間。

測量過(guò)程必須得清清楚楚噠

在其開(kāi)啟時(shí)間（tON ）內，智能傳感器通常會(huì )經(jīng)歷多個(gè)不同運行狀態(tài)。圖4和下方公式顯示了一個(gè)示例序列，其將開(kāi)啟時(shí)間分為四段：初始化、建立、處理和通信。

圖4：智能傳感器測量周期序列

TI 是初始化時(shí)間，代表從施加電源（VSP）到信號鏈中的各器件準備好支持數據采樣和處理的時(shí)間。

tS 是建立時(shí)間，代表從第一個(gè)數據樣本到濾波器輸出（VSM）建立于足夠高的精度水平的時(shí)間。

tP 是處理時(shí)間，代表從濾波器建立到產(chǎn)生測量結果所需的時(shí)間。這可能包括應用校準公式、專(zhuān)門(mén)的信號處理以及根據物聯(lián)網(wǎng)安全協(xié)議進(jìn)行數據加密的時(shí)間。

tC 是通信時(shí)間，代表連接云服務(wù)、發(fā)送加密數據以及支持差錯校驗或身份驗證服務(wù)所需的時(shí)間。

如何降低建立時(shí)間影響，follow me~根據測量周期的階段劃分（圖4），很明顯，在濾波器建立時(shí)間這一段中，噪聲可能會(huì )影響周期供電的智能傳感器節點(diǎn)的功耗。一般而言，來(lái)自均值操作的噪聲幅度的降低量與均值時(shí)間的平方根成比例，而能耗的增加量與均值時(shí)間是直接比例關(guān)系。因此，噪聲幅度降低10倍會(huì )引起能耗（濾波建立期間）增加100倍！這種不成比例的權衡關(guān)系很快會(huì )對只需最少濾波（最低噪聲）的傳感器有利。

圖5：微波天線(xiàn)平臺

考慮圖5所示的微波天線(xiàn)平臺，其?？吭谝粋€(gè)塔式平臺上。在此類(lèi)通信系統中，數據鏈路的可靠性取決于指向角的精度。為了維持指向角，可能需要手動(dòng)調整，特別是地震或其他原因擾動(dòng)了天線(xiàn)所?？康钠脚_之后。此類(lèi)遠程維護的成本高昂，而且不及時(shí)響應，因此，作為維護響應策略的一部分，一家天線(xiàn)運營(yíng)商正研究利用MEMS加速度計監控天線(xiàn)方向變化的可行性。

工程師們根據最基本的功能要求開(kāi)始了此次調研：維持各天線(xiàn)平臺的可靠通信。該系統中，可靠的數據通信要求天線(xiàn)指向角始終位于天線(xiàn)的半功率波束寬度（HPBW，參見(jiàn)圖5）以?xún)?。因此，他們決定：如果天線(xiàn)在短時(shí)間內的方向變化達到天線(xiàn)HPBW的25%，那么就觸發(fā)一次實(shí)地維護需求。

在支持此目標的誤差預算內，架構師允許傾斜測量的峰值噪聲為測量目標（HPBW的25%）的10%。為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，架構師還指定噪聲峰值等于噪聲均方根（rms）值的3倍。方程7反映了所有這些限定條件，并將其簡(jiǎn)化為一個(gè)關(guān)系式，即傾斜測量中的噪聲必須小于HPBW/120。