簡(jiǎn)析智能傳感器訊號處理的市場(chǎng)需求

傳感器是用于偵測、監控和響應溫度、壓力、濕度和運動(dòng)等物理參量的設備。它們是許多實(shí)際工作系統不可或缺的零組件，在工業(yè)、消費、汽車(chē)、醫療和軍事方面應用非常廣泛。在過(guò)去，從傳感器獲得的數據被直接發(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字邏輯對傳感器數據執行后制或顯示。

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

為此，智能傳感器訊號處理的需求逐漸浮現，而其具備的條件包括以下幾項：

傳感器訊號融合

傳感器應用復雜度的急速提升，使得將更強大的智能嵌入至傳感器接口變得勢在必行。很多應用均采用多個(gè)傳感器來(lái)獲取各種測量數據，并且運用十分先進(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)自多種傳感器的訊號，因而須利用同一個(gè)微控制器，這種情況可以稱(chēng)為「傳感器訊號融合」。每種類(lèi)型的傳感器都有各自的訊號特性，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)的運算量和周邊數據處理量。

容錯技術(shù)需求大增

對于處理器而言，監控傳感器訊號和偵測可能引起系統完全故障的錯誤也非常有用。檢測出錯誤情況后，可完全關(guān)閉系統或切換到多余備分傳感器。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，需要更高的運算能力、更大的內存以及容易與更豐富的周邊功能，因此有必要升級到16位微控制器。

分布式處理

在許多應用中，傳感器實(shí)際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效能不彰。

要減輕中央控制單元在處理和數據儲存方面的壓力，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大的訊號轉換和通訊周邊。

剖析智能傳感器處理訊號鏈

傳感器訊號處理包括各式各樣的嵌入式應用，但可以概括地定義代表傳感器處理系統特點(diǎn)的通用訊號鏈。傳感器應用的主要組件是感測組件(也稱(chēng)為轉換器)、訊號調整電路(多數是模擬電路組件)，以及嵌入式微處理器(在某些情況下是簡(jiǎn)單硬件電路的數字邏輯電路或ASIC)(圖1)。

感測組件種類(lèi)多樣

感測組件(實(shí)際上就是「傳感器」)是用于將關(guān)注的物理參量轉換成某種電子訊號的裝置。智能傳感器處理應用經(jīng)常使用多個(gè)感測組件，它們屬于同一類(lèi)型，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訊號調整和數據后制要求，可以根據所測量的物理參量對感測組件進(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/運動(dòng)傳感器、加速計、圖像傳感器、光傳感器。

也可以根據傳感器輸出的電子訊號的類(lèi)型對傳感器進(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量。

數位傳感器

只根據輸入參數產(chǎn)生數字電壓數據。在某些情況下，所產(chǎn)生的數字數據只是二進(jìn)制0/1訊號。此類(lèi)傳感器的輸出在本質(zhì)上不同于大多數其它傳感器，后者產(chǎn)生的訊號在模擬范疇變化。

訊號調整電路設計視傳感器類(lèi)型而定

簡(jiǎn)單地說(shuō)，訊號調整電路將感測組件的輸出訊號規畫(huà)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訊號調整電路，取決于所采用的傳感器的類(lèi)型。例如，某個(gè)傳感器根據所測量的物理參數大小產(chǎn)生輸出電壓，其需要的訊號調整能力，可能不同于產(chǎn)生可變電阻的傳感器。從本質(zhì)上說(shuō)，傳感器應用均有以下共同的訊號調整要求。

首先，傳感器產(chǎn)生的訊號必須盡量避免混入噪聲。而且，訊號的頻譜(亦即訊號頻寬)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)為迭頻消除濾波器的設備。其次，不管是電壓、電流還是頻率，傳感器所產(chǎn)生訊號的振幅通常較小。為了準確處理訊號，讓系統盡量不受噪聲的影響，須要將訊號放大。

除了濾波和放大外，還須使用模擬數字轉換器(ADC)將訊號轉換成數字形式，這增加了訊號調整要求。除了要放大訊號外，可能還須要對訊號進(jìn)行轉換，使其能適應不同的ADC參考電壓。但是，很多ADC，尤其是微控制器或數字訊號控制器(DSC)中包含的ADC，僅對單極性輸入有效。換句話(huà)說(shuō)，輸入電壓不能相對地在正負電位之間變換。在這種情況下，就必須使用電壓位準移位器。

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