物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器的噪聲與功耗

對于那些為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)智能傳感器的人士而言，性能與功耗的關(guān)系是最微妙的權(quán)衡考慮。在廣闊的性能空間中，噪聲常常是一個重要的評估因素，因?yàn)樗苤萍s智能傳感器中關(guān)鍵功能模塊的器件選擇，進(jìn)而提高功耗負(fù)擔(dān)。此外，噪聲特性在很大程度上決定了濾波要求，而這又會影響傳感器對條件快速變化的響應(yīng)能力，延長產(chǎn)生高質(zhì)量測量結(jié)果所需的時間。

在支持連續(xù)觀測（采樣、處理、通信）的應(yīng)用中，系統(tǒng)架構(gòu)師常常不得不解決噪聲與功耗相互對立的關(guān)系，因?yàn)樵肼曌畹偷慕鉀Q方案很少正好也是功耗最低的解決方案（就特定功能類別的器件而言）。例如，MEMS加速度計(jì)常常用作遠(yuǎn)程傾斜測量系統(tǒng)的核心傳感器。表1顯示了兩款不同產(chǎn)品的重要特性，它們提供目前在業(yè)界領(lǐng)先的噪聲或功耗性能：ADXL355（低噪聲）和ADXL362（低功耗）。

表1包括四行，其中三行對應(yīng)ADXL362的可選工作模式，剩下的一行給出了ADXL355的主要指標(biāo)。從這一權(quán)衡空間的關(guān)鍵邊界開始，ADXL355的噪聲比最低功耗模式的ADXL362要低幾乎27倍，但前者的功耗要高得多。性能要求更具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用可能需要考慮ADXL362的最高性能模式，此時ADXL355的噪聲要低9倍，但ADXL362的功耗要低13倍。

在不需要連續(xù)觀測的應(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。這對開發(fā)人員來說無疑是個好消息。因?yàn)樵谥暗脑O(shè)計(jì)中，開發(fā)人員可能因難以確定該讓功耗還是性能主導(dǎo)其設(shè)計(jì)而延誤了時機(jī)。而現(xiàn)在，無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。

智能傳感器架構(gòu)

為了量化特定應(yīng)用的相關(guān)選項(xiàng)，首先需要對信號鏈做一些假設(shè)，因此可以從概念架構(gòu)開始。圖1是智能傳感器架構(gòu)的一般例子，其中包含了最常見的功能。

圖1.智能傳感器架構(gòu)

核心傳感器

智能傳感器節(jié)點(diǎn)中的信號鏈從核心傳感器功能開始。最基本形式的核心傳感器也稱為變換器，其將物理?xiàng)l件或?qū)傩赞D(zhuǎn)換成代表性的電信號。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。例如，提供模擬輸出的溫度傳感器（如AD590）的比例因子單位為mV/°C；數(shù)字加速度計(jì)（如ADXL355）的比例因子用LSB/g或碼數(shù)/g來表示。

濾波器

信號鏈（圖1）的下一個功能模塊是濾波器。這一級的作用是降低核心傳感器可能支持，但與應(yīng)用無關(guān)的頻段中的噪聲。在振動監(jiān)控應(yīng)用中，這可能是一個帶通濾波器，它將隨機(jī)振動與可能指示機(jī)器壽命減損的特定頻譜特征分離開來。在傾斜傳感器中，這可能是一個簡單的低通濾波器，例如移動平均濾波器。這種情況下，時長是建立時間與濾波器輸出殘余噪聲之間的一個重要權(quán)衡因素。圖2顯示了ADXL355艾倫方差曲線的例子，它表示相對于產(chǎn)生測量的均值時間，測量的不確定性（噪聲）。

圖2.艾倫方差曲線：ADXL355和ADXL362

校準(zhǔn)

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

方程1中的校正系數(shù)用于處理偏置、靈敏度和對準(zhǔn)誤差。此公式還可以擴(kuò)展以包括更高階傳感器特性（非線性）或環(huán)境相關(guān)性（溫度、電源電平）。

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量結(jié)果以對應(yīng)用提供最佳支持。在振動監(jiān)控系統(tǒng)中，這可能是簡單的RMS-DC轉(zhuǎn)換或帶頻譜報(bào)警的快速傅里葉變換（FFT）（參見ADIS16228）。在傾斜檢測應(yīng)用中，智能傳感器會利用方程2、方程3或方程4將傳感器對重力的加速度響應(yīng)轉(zhuǎn)換成方位角估計(jì)值。