智能傳感器信號(hào)處理(上)

　　除了濾波和放大之外，還需要使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，這增加了信號(hào)調(diào)理要求。除了要放大信號(hào)，可能還需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其能適應(yīng)不同的ADC參考電壓。但是，很多ADC，尤其是MCU或數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)中包含的ADC，僅對(duì)單極性輸入有效。也就是說，輸入電壓不能相對(duì)于地在正負(fù)電平之間變換。在這種情況下，就需要使用電平位移器。

　　圖2舉例示出了某個(gè)具體的傳感器處理應(yīng)用所需的信號(hào)調(diào)理電路。在本例中，使用一個(gè)三運(yùn)放差分放大器將熱電偶產(chǎn)生的差分輸出電壓放大，然后送入片上ADC的輸入端。與此相似， ADC的另一個(gè)輸入可用于補(bǔ)償熱電偶引線結(jié)點(diǎn)和PCB(印制板)布線交匯處產(chǎn)生的電壓的影響(更多地用于補(bǔ)償后者)。

　　傳感器的處理器

　　即使在經(jīng)過相當(dāng)多的信號(hào)調(diào)理之后，若可從隨時(shí)間變化的電信號(hào)中提取出相關(guān)信息，傳感器產(chǎn)生的信號(hào)才有用。這一提取過程通過嵌入式微處理器來完成，傳統(tǒng)上使用MCU或DSP。因此，顯而易見，處理器的功能以及其上運(yùn)行的應(yīng)用軟件的功能才是系統(tǒng)中最關(guān)鍵的因素——這就是為智能傳感器處理系統(tǒng)提供所有“智能”的處理器子系統(tǒng)。

　　處理傳感器的輸出的第一步是將模擬信號(hào)(通常被調(diào)理成提供變化的模擬電壓)轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式。由此可以推斷，ADC在決定整個(gè)傳感器處理系統(tǒng)的精確度方面起著至關(guān)重要的作用。ADC必須提供足夠高的分辨率和具有較好的精度特性，如積分非線性(Integral Non-Linearity，INL)和微分非線性(Differential Non-Linearity，DNL)。

　　通常，可能需要對(duì)從傳感器獲取的數(shù)據(jù)執(zhí)行大量的后處理操作。此類操作的例子如下。

　　● 數(shù)據(jù)的有限沖激響應(yīng)(Finite Impulse Response，F(xiàn)IR)和無限沖激響應(yīng)(Infinite Impulse Response，IIR)濾波，主要用于消除噪聲?？赡苄枰煌愋偷臑V波器。例如，如果目標(biāo)僅僅是限制信號(hào)的帶寬和去除高頻噪聲，則使用低通濾波器或帶通濾波器比較合適。另一方面，如果系統(tǒng)易受電源引入的噪聲的影響，則使用高通濾波器或陷波濾波器(具體取決于所需信號(hào)的頻譜)更合適。

　　● 進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)計(jì)算以分析數(shù)據(jù)，以便將頻域數(shù)據(jù)用于進(jìn)一步的處理階段。這一操作對(duì)于信息包含在輸出信號(hào)的頻率中的傳感器尤為重要，例如基于多普勒效應(yīng)的超聲波傳感器或聲音傳感器。

　　● 傳感器數(shù)據(jù)的靜態(tài)或周期性校準(zhǔn)。校準(zhǔn)是通過提供一組已知的傳感器輸入并測量相應(yīng)的輸出來設(shè)置傳感器輸出與所需物理參數(shù)之間的映射的過程。

　　● 傳感器輸出與所測量的物理參數(shù)之間通常不是線性關(guān)系。在此類情況下(例如熱電偶)，必須將采樣后的傳感器數(shù)據(jù)“線性化”以補(bǔ)償輸入/輸出之間的這種非線性關(guān)系。該過程通常會(huì)涉及高密集度的計(jì)算，如應(yīng)用高次多項(xiàng)式。

　　● 根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的大小對(duì)其進(jìn)行換算和歸一化。此類計(jì)算要求傳感器接口使用的處理器具有相當(dāng)高速的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力，普通的16位MCU架構(gòu)無法滿足要求。

　　此外，在很多應(yīng)用中，并不只是簡單地對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行分析和解讀，還需要執(zhí)行控制操作對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)。這些操作可能包括以下任務(wù)：

　　● 調(diào)整傳感器信號(hào)分析軟件所使用的校準(zhǔn)參數(shù)，以便可以正確分析傳感器輸出;

　　● 向其他處理子系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)，例如，汽車輪胎上的胎壓監(jiān)視器向儀表盤定期發(fā)送壓力數(shù)據(jù)并發(fā)送警報(bào);

　　● 在互聯(lián)網(wǎng)上更新數(shù)據(jù)，例如定期讀取電表讀數(shù)或定期收集工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù);

　　● 控制電機(jī)、電源、繼電器、開關(guān)和其他器件;

　　● 容錯(cuò)措施，如修正與故障傳感器對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)或切換到其他傳感元件。

　　傳統(tǒng)上使用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)執(zhí)行此類數(shù)學(xué)計(jì)算密集的任務(wù)。不過，DSP本身(沒有關(guān)聯(lián)MCU)并不是非常適用于傳感器接口，理由主要有四個(gè)：

　　● DSP器件沒有靈活的中斷結(jié)構(gòu);

　　● DSP器件在控制位(例如單獨(dú)的I/O引腳)方面的效率不高;