物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器的噪聲與功耗

　　簡(jiǎn)介

　　對于那些為物聯(lián)網(wǎng)應用領(lǐng)域開(kāi)發(fā)智能傳感器的人士而言，性能與功耗的關(guān)系是最微妙的權衡考慮。在廣闊的性能空間中，噪聲常常是一個(gè)重要的評估因素，因為它能制約智能傳感器中關(guān)鍵功能模塊的器件選擇，進(jìn)而提高功耗負擔。此外，噪聲特性在很大程度上決定了濾波要求，而這又會(huì )影響傳感器對條件快速變化的響應能力，延長(cháng)產(chǎn)生高質(zhì)量測量結果所需的時(shí)間。

　　在支持連續觀(guān)測（采樣、處理、通信）的應用中，系統架構師常常不得不解決噪聲與功耗相互對立的關(guān)系，因為噪聲最低的解決方案很少正好也是功耗最低的解決方案（就特定功能類(lèi)別的器件而言）。例如，MEMS加速度計常常用作遠程傾斜測量系統的核心傳感器。表1顯示了兩款不同產(chǎn)品的重要特性，它們提供目前在業(yè)界領(lǐng)先的噪聲或功耗性能：ADXL355（低噪聲）和ADXL362（低功耗）。

　　表1. MEMS加速度計比較

　　表1包括四行，其中三行對應ADXL362的可選工作模式，剩下的一行給出了ADXL355的主要指標。從這一權衡空間的關(guān)鍵邊界開(kāi)始，ADXL355的噪聲比最低功耗模式的ADXL362要低幾乎27倍，但前者的功耗要高得多。性能要求更具挑戰性的應用可能需要考慮ADXL362的最高性能模式，此時(shí)ADXL355的噪聲要低9倍，但ADXL362的功耗要低13倍。

　　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。這對開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)無(wú)疑是個(gè)好消息。因為在之前的設計中，開(kāi)發(fā)人員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。

　　智能傳感器架構

　　為了量化特定應用的相關(guān)選項，首先需要對信號鏈做一些假設，因此可以從概念架構開(kāi)始。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。例如，提供模擬輸出的溫度傳感器（如AD590）的比例因子單位為mV/°C；數字加速度計（如ADXL355）的比例因子用LSB/g或碼數/g來(lái)表示。

　　濾波器

　　信號鏈（圖1）的下一個(gè)功能模塊是濾波器。這一級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）。

　　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。........