智能傳感器信號處理的需求分析

傳感器是用于偵測、監(jiān)控和響應溫度、壓力、濕度和運動等物理參量的設備。它們是許多實際工作系統(tǒng)不可或缺的零組件，在工業(yè)、消費、汽車、醫(yī)療和軍事 方面應用非常廣泛。在過去，從傳感器獲得的數(shù)據(jù)被直接發(fā)送至中央控制單元，然后中央控制單元可能會使用外掛的硬件組件或數(shù)字邏輯對傳感器數(shù)據(jù)執(zhí)行后制或顯 示。

隨著8位微控制器(MCU)等嵌入式處理器解決方案的出現(xiàn)，將固定的中央硬件替換為可透過程序執(zhí)行應用所需特定任務的微控制器所帶來的優(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(tǒng)做一些基本處理任務。

為此，智能傳感器訊號處理的需求逐漸浮現(xiàn)，而其具備的條件包括以下幾項：

傳感器信號融合

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傳感器來獲取各種測量數(shù)據(jù)，并且運用十分先進的方法對數(shù)據(jù)進行處理。

在某些情況下，必須同時處理來自多種傳感器的訊號，因而須利用同一個微控制器，這種情況可以稱為「傳感器訊號融合」。每種類型的傳感器都有各自的訊號特性，并且須要透過不同的后制從中提取有用的信息，這會增加中央處理器(CPU)的運算量和周邊數(shù)據(jù)處理量。

容錯技術需求大增

對于處理器而言，監(jiān)控傳感器訊號和偵測可能引起系統(tǒng)完全故障的錯誤也非常有用。檢測出錯誤情況后，可完全關閉系統(tǒng)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步驟，就可以在故障實際發(fā)生前對其進行預測，這將大大簡化現(xiàn)場硬件維護和保養(yǎng)。

此類容錯算法和技術可能會相當復雜，需要更高的運算能力、更大的內(nèi)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，傳感器實際分散在較廣的區(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無效，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(shù)據(jù)儲存方面的壓力，最好將處理能力分散到多個靠近的傳感器，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(tǒng)特點的通用訊號鏈。傳感器應用的主要組件是感測組件(也稱為轉換 器)、訊號調整電路(多數(shù)是模擬電路組件)，以及嵌入式微處理器(在某些情況下是簡單硬件電路的數(shù)字邏輯電路或ASIC)(圖1)。

感測組件種類多樣

感測組件(實際上就是「傳感器」)是用于將關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)常使用多個感測組件，它們屬于同一類型，如空 調系統(tǒng)中的多個熱敏電阻，或者屬于不同類型，例如一臺工業(yè)機械設備中的熱電偶和一氧化碳探測器。每種類型的傳感器都有自己的一套訊號調整和數(shù)據(jù)后制要求， 可以根據(jù)所測量的物理參量對感測組件進行廣義分類，例如溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、氣體/化學傳感器、聲音/超音波傳感器、位置/運動傳感器、 加速計、圖像傳感器、光傳感器。

也可以根據(jù)傳感器輸出的電子訊號的類型對傳感器進行分類。概括而言，共有四種常見的傳感器類型：

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(shù)位傳感器

只根據(jù)輸入?yún)?shù)產(chǎn)生數(shù)字電壓數(shù)據(jù)。在某些情況下，所產(chǎn)生的數(shù)字數(shù)據(jù)只是二進制0/1訊號。此類傳感器的輸出在本質上不同于大多數(shù)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型而定。

簡單地說，訊號調整電路將感測組件的輸出訊號規(guī)畫到其余電子電路或應用軟件可以處理的范圍內(nèi)。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 的類型。例如，某個傳感器根據(jù)所測量的物理參數(shù)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。從本質上說，傳感器應用均有以 下共同的訊號調整要求。