一文匯總高性能的智能傳感器應(yīng)用

在不需要連續(xù)觀測(cè)的應(yīng)用中，平均功耗與噪聲的關(guān)系變得更有意義?；蛟S令人難以置信，但噪聲和功耗的關(guān)系甚至可能變成互補(bǔ)式。這對(duì)工程師來(lái)說(shuō)無(wú)疑是個(gè)好消息。因?yàn)樵谥暗脑O(shè)計(jì)中，工程師可能因難以確定該讓功耗還是性能主導(dǎo)其設(shè)計(jì)而延誤了時(shí)機(jī)。而現(xiàn)在，無(wú)需等待其他人在這一權(quán)衡中做出決定，智能傳感器架構(gòu)師可自行對(duì)權(quán)衡范圍內(nèi)的相關(guān)選項(xiàng)進(jìn)行量化；這一做法將重新定義架構(gòu)師的工作。

組成智能傳感器架構(gòu)的5個(gè)部分，你都造嗎？圖1是智能傳感器架構(gòu)的一般例子，其中包含了最常見(jiàn)的功能。

核心傳感器

智能傳感器節(jié)點(diǎn)中的信號(hào)鏈從核心傳感器功能開(kāi)始。最基本形式的核心傳感器也稱(chēng)為變換器，其將物理?xiàng)l件或?qū)傩赞D(zhuǎn)換成代表性的電信號(hào)。傳感器的比例因子描述其電響應(yīng)與其監(jiān)控的物理屬性或條件的線性關(guān)系。

濾波器

濾波器的作用是降低核心傳感器可能支持，但與應(yīng)用無(wú)關(guān)的頻段中的噪聲。在振動(dòng)監(jiān)控應(yīng)用中，這可能是一個(gè)帶通濾波器，它將隨機(jī)振動(dòng)與可能指示機(jī)器壽命減損的特定頻譜特征分離開(kāi)來(lái)。在傾斜傳感器中，這可能是一個(gè)簡(jiǎn)單的低通濾波器，例如移動(dòng)平均濾波器。這種情況下，時(shí)長(zhǎng)是建立時(shí)間與濾波器輸出殘余噪聲之間的一個(gè)重要權(quán)衡因素。圖2顯示了ADXL355艾倫方差曲線的例子，它表示相對(duì)于產(chǎn)生測(cè)量的均值時(shí)間，測(cè)量的不確定性（噪聲）。

圖2. 艾倫方差曲線：ADXL355和ADXL362

校準(zhǔn)

校準(zhǔn)功能的作用是通過(guò)應(yīng)用校正公式來(lái)提高測(cè)量精度。在要求極高的應(yīng)用中，通常是在嚴(yán)格受控條件下進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)直接觀測(cè)傳感器響應(yīng)來(lái)獲得此類(lèi)校正公式。例如在傾斜傳感器應(yīng)用中，校準(zhǔn)過(guò)程涉及到觀測(cè)MEMS加速度計(jì)在多個(gè)不同方向上相對(duì)于重力的輸出。這種觀測(cè)的一般目標(biāo)是觀測(cè)傳感器對(duì)足夠多取向的響應(yīng)，從而求解如下關(guān)系式（參見(jiàn)方程1）中所有12個(gè)校正系數(shù)（m11、m12、m13、m21、m22、m23、m31、m32、m33、bx、by、bz）：

數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理功能用于將校準(zhǔn)且濾波的傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)臏y(cè)量結(jié)果以對(duì)應(yīng)用提供最佳支持。在振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中，這可能是簡(jiǎn)單的RMS-DC轉(zhuǎn)換或帶頻譜報(bào)警的快速傅里葉變換（FFT）。在傾斜檢測(cè)應(yīng)用中，智能傳感器會(huì)利用如下將傳感器對(duì)重力的加速度響應(yīng)轉(zhuǎn)換成方位角估計(jì)值。

這三個(gè)關(guān)系式分別代表使用一個(gè)、兩個(gè)和三個(gè)加速度計(jì)測(cè)量結(jié)果的傾斜估計(jì)，假設(shè)各加速度計(jì)完全正交。

通信/存儲(chǔ)

通信/存儲(chǔ)功能支持所有物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)的數(shù)據(jù)分級(jí)和連接（加密/安全、存儲(chǔ)和分析）。

周期供電操作，你必須知道的那點(diǎn)事兒電源管理（PM）功能對(duì)典型智能傳感器有三個(gè)作用——

1）管理信號(hào)鏈中所有器件的上電時(shí)序要求。

2）將電源供應(yīng)轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾妷簛?lái)支持信號(hào)鏈中所有器件的最優(yōu)運(yùn)行。

3）在以一定時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量的系統(tǒng)中，提供排程信號(hào)來(lái)觸發(fā)每次測(cè)量事件。

周期供電是識(shí)別智能傳感器節(jié)點(diǎn)中此類(lèi)斷續(xù)操作的常見(jiàn)方法。在兩次測(cè)量事件之間，智能傳感器處于低功耗（或零功耗）狀態(tài)，這種技術(shù)有助于節(jié)能。圖3顯示了一個(gè)采用此技術(shù)的智能傳感器在一個(gè)完整測(cè)量周期上的瞬時(shí)功耗。

圖3：基本供電周期圖

下方程提供了一個(gè)利用圖3所示運(yùn)行特性來(lái)估算平均功耗（PAV）的簡(jiǎn)單關(guān)系式。

PON是智能傳感器節(jié)點(diǎn)執(zhí)行采樣并處理數(shù)據(jù)以產(chǎn)生和傳輸相關(guān)測(cè)量結(jié)果的平均功耗。

POFF是智能傳感器節(jié)點(diǎn)支持低功耗睡眠模式所需的平均功耗。

tON是智能傳感器開(kāi)啟、產(chǎn)生測(cè)量結(jié)果、將該結(jié)果傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云、然后關(guān)閉所需的時(shí)間。

tOFF是智能傳感器處于靜止?fàn)顟B(tài)（睡眠模式或完全關(guān)斷）的時(shí)間。

T為平均測(cè)量周期時(shí)間。

測(cè)量過(guò)程必須得清清楚楚噠

在其開(kāi)啟時(shí)間（tON ）內(nèi)，智能傳感器通常會(huì)經(jīng)歷多個(gè)不同運(yùn)行狀態(tài)。圖4和下方公式顯示了一個(gè)示例序列，其將開(kāi)啟時(shí)間分為四段：初始化、建立、處理和通信。

圖4：智能傳感器測(cè)量周期序列

TI 是初始化時(shí)間，代表從施加電源（VSP）到信號(hào)鏈中的各器件準(zhǔn)備好支持?jǐn)?shù)據(jù)采樣和處理的時(shí)間。

tS 是建立時(shí)間，代表從第一個(gè)數(shù)據(jù)樣本到濾波器輸出（VSM）建立于足夠高的精度水平的時(shí)間。

tP 是處理時(shí)間，代表從濾波器建立到產(chǎn)生測(cè)量結(jié)果所需的時(shí)間。這可能包括應(yīng)用校準(zhǔn)公式、專(zhuān)門(mén)的信號(hào)處理以及根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)安全協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)加密的時(shí)間。

tC 是通信時(shí)間，代表連接云服務(wù)、發(fā)送加密數(shù)據(jù)以及支持差錯(cuò)校驗(yàn)或身份驗(yàn)證服務(wù)所需的時(shí)間。

如何降低建立時(shí)間影響，follow me~根據(jù)測(cè)量周期的階段劃分（圖4），很明顯，在濾波器建立時(shí)間這一段中，噪聲可能會(huì)影響周期供電的智能傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗。一般而言，來(lái)自均值操作的噪聲幅度的降低量與均值時(shí)間的平方根成比例，而能耗的增加量與均值時(shí)間是直接比例關(guān)系。因此，噪聲幅度降低10倍會(huì)引起能耗（濾波建立期間）增加100倍！這種不成比例的權(quán)衡關(guān)系很快會(huì)對(duì)只需最少濾波（最低噪聲）的傳感器有利。

圖5：微波天線平臺(tái)

考慮圖5所示的微波天線平臺(tái)，其?？吭谝粋€(gè)塔式平臺(tái)上。在此類(lèi)通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)鏈路的可靠性取決于指向角的精度。為了維持指向角，可能需要手動(dòng)調(diào)整，特別是地震或其他原因擾動(dòng)了天線所停靠的平臺(tái)之后。此類(lèi)遠(yuǎn)程維護(hù)的成本高昂，而且不及時(shí)響應(yīng)，因此，作為維護(hù)響應(yīng)策略的一部分，一家天線運(yùn)營(yíng)商正研究利用MEMS加速度計(jì)監(jiān)控天線方向變化的可行性。

工程師們根據(jù)最基本的功能要求開(kāi)始了此次調(diào)研：維持各天線平臺(tái)的可靠通信。該系統(tǒng)中，可靠的數(shù)據(jù)通信要求天線指向角始終位于天線的半功率波束寬度（HPBW，參見(jiàn)圖5）以?xún)?nèi)。因此，他們決定：如果天線在短時(shí)間內(nèi)的方向變化達(dá)到天線HPBW的25%，那么就觸發(fā)一次實(shí)地維護(hù)需求。

在支持此目標(biāo)的誤差預(yù)算內(nèi)，架構(gòu)師允許傾斜測(cè)量的峰值噪聲為測(cè)量目標(biāo)（HPBW的25%）的10%。為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，架構(gòu)師還指定噪聲峰值等于噪聲均方根（rms）值的3倍。方程7反映了所有這些限定條件，并將其簡(jiǎn)化為一個(gè)關(guān)系式，即傾斜測(cè)量中的噪聲必須小于HPBW/120。