智能傳感器信號處理(下)

　　類似地，需要對熱電偶和紅外(IR)溫度檢測器所產(chǎn)生的非線性輸出進行數(shù)學(xué)運算，使其線性化。例如，K型熱電偶使用下列線性化多項式：

　　溫度 = a1 * V + a2 * V2 + a3 * V3 +?

　　其中，a1 = 25132.785，a2 = -60883.423 ?，V = 傳感器輸出電壓

　　在dsPIC33F DSC上使用兩個累加器和DSP指令執(zhí)行此線性化任務(wù)時，計算過程(上述多項式僅計算到第2階)需要7個指令周期——4個數(shù)據(jù)傳送周期、2個乘法周期以及1個乘減運算周期。通過該公式可以很明顯看出，在通用微處理器或MCU架構(gòu)上執(zhí)行此運算會耗費更多時間，這也間接說明了使用DSC的優(yōu)勢。

　　而且，熱電偶的輸出電壓(即使在放大之后)特別容易受60 Hz(或50 Hz，具體取決于區(qū)域)的電源線路噪聲影響?？紤]到熱電偶輸出的變化率較慢，此噪聲容易與熱電偶輸出位于同一頻帶，并且需要使用中心頻率為60 Hz的陷波濾波器小心地進行濾波。

　　FIR和IIR濾波算法均可以在DSC上高效執(zhí)行，但是IIR濾波器需要的系數(shù)一般要少得多，因而需要較少的乘法和加法運算。不過，IIR濾波器具有反饋項，因而會造成一些穩(wěn)定性方面的難題。幸運的是，數(shù)據(jù)自動飽和是DSC架構(gòu)中相當(dāng)常見的硬件特性，可以盡可能降低由于溢出造成的數(shù)據(jù)損壞。圖5頻率響應(yīng)圖展示了用于抑制60 Hz電源線路信號的16階IIR陷波濾波器(采樣率為1 kHz)的頻率選擇特性。

　　對于DSP設(shè)計經(jīng)驗不甚豐富的系統(tǒng)開發(fā)人員而言，設(shè)計數(shù)字濾波器(尤其是IIR濾波器)過程中涉及的理論和步驟可能相當(dāng)復(fù)雜，對數(shù)學(xué)功底的要求極高。幸運的是，很多DSC制造商和第三方工具廠商都提供了低成本的工具，開發(fā)人員只需要在這些工具中指定通帶和阻帶的轉(zhuǎn)移頻率以及所需的衰減度即可。這些工具可以計算濾波器系數(shù)并生成應(yīng)用軟件可以直接使用的源文件和數(shù)據(jù)文件。圖3展示了四種最常見的數(shù)字濾波問題。

　　除了線性濾波和數(shù)字濾波外，應(yīng)用軟件還需要在從熱電偶采樣的電壓中加上從外部溫度傳感器IC(如TC1047A)采樣的電壓，以執(zhí)行冷結(jié)點補償。此外，很可能需要定期計算ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的平均值，具體視所采用的ADC采樣率而定。平均值計算可以通過DSC架構(gòu)中通常提供的基于累加器的加法和多位移位運算高效完成。

　　指紋識別

　　在上文中我們已經(jīng)討論了最常見的一類智能傳感器應(yīng)用，現(xiàn)在我們討論一種本質(zhì)上更復(fù)雜且計算要求更高的基于傳感器的應(yīng)用——指紋識別。

　　指紋識別在安全區(qū)域(如房間或車輛)的進出控制、設(shè)備訪問(如手機)、PC或網(wǎng)絡(luò)登錄以及僅作為可靠的個人身份識別形式等方面的應(yīng)用日趨增多。目前，市面上有很多類型的指紋傳感器，如電容式傳感器、光學(xué)傳感器、熱傳感器和電場傳感器。例如，電容式傳感器依賴于人手指上的紋路起伏產(chǎn)生的電容變化。

　　負責(zé)從指紋傳感器捕捉指紋數(shù)據(jù)的控制器需要具有某些特性：

　　1.足夠快的ADC，用于接收傳感器采樣的值;

　　2.高速串行通信接口(如SPI)，用于與系統(tǒng)中的其他模塊進行通信;

　　3.閃存，用于存儲指紋“模板”數(shù)據(jù)庫，然后在驗證或識別指紋時高效訪問這些模板。

　　最重要的是，需要擁有強大的DSP功能來執(zhí)行指紋匹配操作。最后需要指出的是，控制器應(yīng)該不僅能夠處理16位數(shù)據(jù)，還要能夠高效處理8位數(shù)據(jù)(如DSC可以處理8位和16位的數(shù)據(jù))，因為大多數(shù)傳感器都使用8位的值來代表指紋。