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，及DSC和智能傳感器的典型應(yīng)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(jiān)視和響應(yīng)(如有需要)溫度、壓力、濕度和運(yùn)動等物理參數(shù)的器件。它們是許多實(shí)際系統(tǒng)不可或缺的組件，在工業(yè)、消費(fèi)電子、汽車、醫(yī)療和軍事方面應(yīng)用非常廣泛。過去，從傳感器獲取的數(shù)據(jù)被直接發(fā)送到中央單元，然后中央單元可能會使用分立式硬件或數(shù)字邏輯對傳感器數(shù)據(jù)執(zhí)行后處理或顯示。隨著8位單片機(jī)(MCU)等嵌入式處理器解決方案的出現(xiàn)，將程序固定的中央硬件替換為可通過編程來執(zhí)行應(yīng)用所需特定任務(wù)的MCU所帶來的優(yōu)勢愈加明顯。但是，8位MCU只能執(zhí)行計(jì)算密集度不大的系統(tǒng)基本處理任務(wù)。

　　傳感器信號融合

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

　　容錯(cuò)

　　對于處理器而言，監(jiān)視傳感器信號和檢測可能會引起系統(tǒng)完全失效的錯(cuò)誤也非常有用;檢測出錯(cuò)誤情況之后可完全關(guān)閉系統(tǒng)或切換到冗余備份傳感器。如果在錯(cuò)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(yù)測，這將大大簡化現(xiàn)場硬件維護(hù)和保養(yǎng)。此類“容錯(cuò)”算法和技術(shù)可能會相當(dāng)復(fù)雜，需要更高的計(jì)算能力、更大的存儲容量和更豐富的外設(shè)功能，因此有必要升級到16位MCU。

　　分布式處理

　　在許多應(yīng)用中，傳感器物理地分散在較廣的區(qū)域內(nèi)，如分散在大型建筑或工廠內(nèi)，或分散在汽車的不同零部件內(nèi)。對于這樣的分布式系統(tǒng)來說，集中式處理/控制方法往往被證實(shí)無效，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(shù)據(jù)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(qiáng)大的信號轉(zhuǎn)換和通信外設(shè)。

　　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(yīng)用，但是我們可以概括地定義代表傳感器處理系統(tǒng)特點(diǎn)的通用信號鏈。傳感器應(yīng)用的主要組件是傳感元件(也稱為變換器)、信號調(diào)理電路(多數(shù)是模擬電路元件)，以及嵌入式微處理器(或者，在某些情況下是簡單硬連線的數(shù)字邏輯電路或?qū)Ｓ肐C，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(shù)轉(zhuǎn)換成某種電信號的器件。智能傳感器處理應(yīng)用經(jīng)常使用多個(gè)傳感元件，它們或者屬于同一類型(例如空調(diào)系統(tǒng)中的多個(gè)熱敏電阻)，或者屬于不同類型(例如一臺工業(yè)機(jī)械設(shè)備中的熱電偶和一氧化碳探測器)。每種類型的傳感器都有自己的一套信號調(diào)理和數(shù)據(jù)后處理要求。

　　可以根據(jù)所測量的物理參數(shù)對傳感元件進(jìn)行廣義分類。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(yùn)動傳感器，加速計(jì)，圖像傳感器，光傳感器等。

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

　　傳感器的信號調(diào)理電路

　　簡單地說，信號調(diào)理電路將傳感元件的輸出信號映射到其余電子電路或應(yīng)用軟件可以處理的范圍內(nèi)。傳感器應(yīng)用所需的具體信號調(diào)理電路取決于所采用的傳感器的類型。例如，某個(gè)傳感器根據(jù)所測量的物理參數(shù)的大小產(chǎn)生輸出電壓，其需要的信號調(diào)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，傳感器應(yīng)用均有以下共同的信號調(diào)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(jù)某些約束條件限制在特定的范圍內(nèi)。因而常常有必要使用一種稱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(zhǔn)確處理信號，使系統(tǒng)盡量不受噪聲的影響，需要將信號放大。