智能傳感器信號(hào)處理的需求分析

首先，傳感器產(chǎn)生的訊號(hào)必須盡量避免混入噪聲。而且，訊號(hào)的頻譜(亦即訊號(hào)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(shè)備。其次，不管是電壓、電流還是頻率，傳感器所產(chǎn)生訊號(hào)的振幅通常較小。為了準(zhǔn)確處理訊 號(hào)，讓系統(tǒng)盡量不受噪聲的影響，須要將訊號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，這 增加了訊號(hào)調(diào)整要求。除了要放大訊號(hào)外，可能還須要對訊號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其能適應(yīng)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(hào)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(fù)電位之間變換。在這種情況下，就必須使用電壓位準(zhǔn)移位器。

在本例中，使用一個(gè)三運(yùn)放差動(dòng)放大器將熱電偶產(chǎn)生的差動(dòng)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(gè)輸入，可用于補(bǔ)償熱電偶引線結(jié)點(diǎn)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(bǔ)償后者。

嵌入式處理器提取有用信息

即使在經(jīng)過相當(dāng)多的訊號(hào)調(diào)整后，若可從隨時(shí)間變化的電子訊號(hào)中提取出相關(guān)信息，傳感器產(chǎn)生的訊號(hào)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(hào)處理器(DSP)。因此，顯而易見，處理器的功能及其上運(yùn)行的應(yīng)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(hào)(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(gè)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(yīng)(FIR)和無限脈沖回應(yīng)(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(biāo)僅是限制訊號(hào)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(hào)的頻譜)更合適。

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

校準(zhǔn)是透過提供一組已知的傳感器輸入并測量相應(yīng)的輸出，來設(shè)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(bǔ)償輸入輸出間的此種非線性關(guān)系。該過程通常會(huì)涉及高密集度的計(jì)算，如應(yīng)用高次多項(xiàng)式。

根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的大小對其進(jìn)行換算和常態(tài)化此類計(jì)算要求傳感器接口使用的處理器必須具有相當(dāng)高速的數(shù)學(xué)運(yùn)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(yīng)用中，并不只是簡單地對傳感器訊號(hào)進(jìn)行分析和解讀，還必須執(zhí)行控制操作對傳感器訊號(hào)進(jìn)行響應(yīng)。這些操作可能包括以下幾項(xiàng)任務(wù)：調(diào)整傳感器訊號(hào)分析軟件所使用的校準(zhǔn)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(bào)；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(jī)、電源、繼電器、開關(guān)和其它設(shè)備；采用容錯(cuò)措施，例如修正與故障傳感器對應(yīng)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(xué)計(jì)算密集的任務(wù)。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(gè)：第一，DSP設(shè)備沒有靈活的中斷結(jié)構(gòu)；其次，DSP設(shè)備在控制位如單獨(dú)的I/O接腳方面的效率不高；再者，DSP設(shè)備在很大程度上依賴于外接內(nèi)存和周邊；第四，DSP設(shè)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(yīng)該要非常少，這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)楹芏鄳?yīng)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(tái)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(gè)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(qiáng)大的DSP指令和靈活的尋址模式，因而能夠快速準(zhǔn)確地進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算。接下來，說明讓DSC架構(gòu)適用于智能傳感器訊號(hào)處理的典型特性。

DSC必備主要特點(diǎn)

典型的DSC架構(gòu)具有使其適用于大量傳感器應(yīng)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(gè)，在選擇DSC架構(gòu)時(shí)，這幾個(gè)特性是考慮的重點(diǎn)。

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

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