智能傳感器信號處理的需求分析

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(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(tǒng)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(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)將訊號轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，這 增加了訊號調(diào)整要求。除了要放大訊號外，可能還須要對訊號進行轉(zhuǎn)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(shù)字訊號控制器 (DSC)中包含的ADC，僅對單極性輸入有效。換句話說，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。

在本例中，使用一個三運放差動放大器將熱電偶產(chǎn)生的差動輸出電壓放大，然后送入內(nèi)建模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器C的輸入端。與此相似，ADC的另一個輸入，可用于補償熱電偶引線結(jié)點和印刷電路板(PCB)布線交匯處產(chǎn)生的電壓的影響，而且更多用于補償后者。

嵌入式處理器提取有用信息

即使在經(jīng)過相當多的訊號調(diào)整后，若可從隨時間變化的電子訊號中提取出相關(guān)信息，傳感器產(chǎn)生的訊號才有用。此一提取過程透過嵌入式微處理器來完 成，傳統(tǒng)上使用微控制器或數(shù)字訊號處理器(DSP)。因此，顯而易見，處理器的功能及其上運行的應用軟件的功能，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」的處理器次系統(tǒng)。

處理傳感器輸出的第一步，是將模擬訊號(通常被調(diào)整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在決定整個傳感器處理系統(tǒng)的精 確度方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用。此外，ADC必須提供足夠高的分辨率和具有較好的精確度特性，如積分非線性(Integral Non- Linearity, INL)和微分非線性(Differential Non-Linearity, DNL)。

通常，可能須要對從傳感器獲取的數(shù)據(jù)執(zhí)行大量的后制操作。此類操作的例子包括：

數(shù)據(jù)的有限脈沖響應(FIR)和無限脈沖回應(IIR)濾波

主要用于消除噪聲，可能需要不同類型的濾波器。例如，若目標僅是限制訊號的頻寬與去除高頻噪聲，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帶拒濾波器(具體取決于所需訊號的頻譜)更合適。

進行快速傅利葉轉(zhuǎn)換(FFT)計算來分析數(shù)據(jù)，以便將頻域數(shù)據(jù)用于進一步的處理階段，此一操作對于信息包含在輸出訊號的頻率中的傳感器尤為重要，例如基于都卜勒效應的超音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

校準是透過提供一組已知的傳感器輸入并測量相應的輸出，來設置傳感器輸出與所需物理參量之間映射的過程。

傳感器輸出與所測量的物理參量間通常不是線性關(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」以補償輸入輸出間的此種非線性關(guān)系。該過程通常會涉及高密集度的計算，如應用高次多項式。

根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的大小對其進行換算和常態(tài)化此類計算要求傳感器接口使用的處理器必須具有相當高速的數(shù)學運算能力，普通的16位微控制器架構(gòu)無法滿足這樣的要求。

此外，在很多應用中，并不只是簡單地對傳感器訊號進行分析和解讀，還必須執(zhí)行控制操作對傳感器訊號進行響應。這些操作可能包括以下幾項任務：調(diào)整傳感器訊號分析軟件所使用的校準參數(shù)，以便正確分析傳感器輸出；向其它處理次系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)，例如汽車輪胎上的胎壓監(jiān)控器向儀表板定期發(fā)送壓力資料并發(fā)送警報；在因特網(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、電源、繼電器、開關(guān)和其它設備；采用容錯措施，例如修正與故障傳感器對應的數(shù)據(jù)或切換到其它感測組件。

傳統(tǒng)上，使用DSP執(zhí)行此類數(shù)學計算密集的任務。不過，DSP本身(沒有關(guān)聯(lián)微控制器)并不是非常適用于傳感器接口，理由主要有四個：第一，DSP設備沒有靈活的中斷結(jié)構(gòu)；其次，DSP設備在控制位如單獨的I/O接腳方面的效率不高；再者，DSP設備在很大程度上依賴于外接內(nèi)存和周邊；第四，DSP設備的接腳數(shù)一般都比較多，但是傳感器處理所需的接腳數(shù)應該要非常少，這一點非常重要，因為很多應用一般都有空間限制，并且對成本敏感。

另一種適用于高效能智能傳感器系統(tǒng)的有效單芯片架構(gòu)平臺是16位DSC，如微芯(Microchip)的dsPIC33F系列。DSC是一種創(chuàng)新的混合處理器架構(gòu)，集16位微控制器的控制功能與豐富的DSP功能于一身。DSC架構(gòu)非常適用于提供周期性中斷，以及捕捉來自多個傳感器和控制輸入端的數(shù)據(jù)。若有需要，DSC架構(gòu)可與分布式系統(tǒng)中的其它控制器模塊共享數(shù)據(jù)。

另一方面，DSC的中央處理器支持一系列強大的DSP指令和靈活的尋址模式，因而能夠快速準確地進行算術(shù)和邏輯運算。接下來，說明讓DSC架構(gòu)適用于智能傳感器訊號處理的典型特性。

DSC必備主要特點

典型的DSC架構(gòu)具有使其適用于大量傳感器應用的多種中央處理器和周邊特性。以下將探討這些特性中最有用的幾個，在選擇DSC架構(gòu)時，這幾個特性是考慮的重點。

增強的中央處理器功能
　
16位DSC最強大的特性是可提供豐富的DSP功能。真正的DSC包含兩個40位累加器，可用于儲存兩個獨立的16位×16位乘法運算的結(jié)果。

大多數(shù)DSP算法如FIR和IIR濾波，都會涉及計算乘積之和。利用特殊指令如乘法與累加計算(Multiply-and-Accumulate, MAC)，可以在一個運算速度內(nèi)將兩個16位數(shù)字元相乘，將結(jié)果加到累加器，然后從隨機存取內(nèi)存(RAM)預先取得一對數(shù)據(jù)值。利用兩個累加器，也可以將數(shù)據(jù)寫回一個累加器，同時在另一個累加器上執(zhí)行計算。