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          智能傳感器信號處理的需求分析

          作者: 時間:2012-03-21 來源:網(wǎng)絡 收藏

          累加器寬度為40位(而非32位)時,可以將數(shù)據(jù)暫時「溢出」(這在累加器中累加大量值時經(jīng)常發(fā)生)。此外,DSC的中央處理器也可以選用一種稱為「飽和」的機制,將值保持在允許的范圍內(nèi),并在將值寫回RAM時對值進行取整或換算。DSC的另一項特性(也是微控制器一般缺少的)是其解讀分數(shù)形式的數(shù)據(jù)的能力,DSC并不總是假定數(shù)據(jù)為整數(shù),因而有助于分數(shù)運算。

          除上述特性外,還增加各種數(shù)據(jù)尋址模式,用以高效移動數(shù)據(jù),支持環(huán)形緩沖區(qū)和位反轉尋址,以及零耗循環(huán)(Zero Overhead Loop)。很顯然地,DSC提供了非常強大的使用者友善型中央處理器架構來處理或數(shù)據(jù)。

          靈活的中斷結構

          DSC設備的中斷結構擁有極高的靈活性。一般來說,支持大量可單獨允許并設置優(yōu)先級的中斷源和向量,這對涉及多個的應用非常有利。其中斷延遲應該具有高確定性,以簡化系統(tǒng)開發(fā)人員的工作。顯著提高訊號處理應用效率的另一個特性是,直接內(nèi)存存取(Direct Memory Access, DMA),其在周邊和內(nèi)存之間(如在ADC和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)間)自動傳輸大批量的數(shù)據(jù)。

          運行時自我燒錄(RTSP)

          大多數(shù)傳感器應用都須要儲存常數(shù),其用于根據(jù)環(huán)境條件、變換器輸出與預測量之間的偏差量,來校準從傳感器獲取的資料。后制算法也會使用常數(shù),如濾波系數(shù)或快速傅立葉轉換旋轉因子。但是,在RAM中儲存此類常數(shù)會浪費數(shù)據(jù)儲存空間。

          DSC設備通常包含閃存(Flash Memory)程序內(nèi)存和基于閃存的數(shù)據(jù)電子式可清除程序化只讀存儲器(EEPROM),可用于高效可靠地儲存和存取此類常數(shù)。在閃存DSC設備中,使用者的程序甚至可以實時修改這些常數(shù),具體取決于環(huán)境、資料或工作條件的變化。

          實體電路串行燒錄

          借助閃存DSC,使用者能夠使用稱為實體電路串行燒錄(In-Circuit Serial Programming, ICSP)的方法在現(xiàn)場輕松升級應用韌體。實體電路串行燒錄,不僅可以修正傳感器校準或軟件漏洞,以最少的成本和最短的延遲提供更強的功能,而且能夠使同一控制器用在不同類型的傳感器接口中及不同的條件下。

          高解析ADC和DAC

          傳感器一般用于測量溫度、壓力和光等物理特性。因此,須要使用速度和分辨率足夠高的內(nèi)建ADC,才能測量輸入量的微小且快速的變化。對于大多數(shù)系統(tǒng)而言,輸入分辨率低于12位的ADC可能不夠用,非線性誤差大于一個最低有效位的ADC也不行。

          此外,為測量不同類型參數(shù)而采用多種傳感器的任何應用,都要求ADC支持多種采樣、轉換和觸發(fā)選項。DSC通常包含多個模擬輸入頻道(因而能夠與多個變換器相連接)、靈活的采樣/轉換選項(如自動在多個輸入之間切換以實現(xiàn)連續(xù)采樣),以及測量差動輸入的功能等。為了減少讀取轉換后的采樣所產(chǎn)生的開銷,DSC提供了數(shù)據(jù)格式可配置(例如整數(shù)/分數(shù)或有符號/無符號)的大內(nèi)存映像ADC緩沖區(qū)。

          內(nèi)建數(shù)字模擬轉換器(DAC)模塊將數(shù)字數(shù)據(jù)(通常來自對傳感器數(shù)據(jù)的實時)轉換成可用于驅動外接設備(如制動器)的模擬訊號。尤其是在DAC支持如16位高分辨率的情況下,DAC輸出可以被送入揚聲器,用于播放語音形式的系統(tǒng)使用說明或系統(tǒng)狀態(tài)。

          高速輸入捕捉和輸出比較

          在某些傳感器應用中,控制器可能會僅為了響應特定事件而讀取來自傳感器變換器的輸入。為了盡可能地降低功耗,控制器可能須要在檢測到某種脈沖或訊號前保持休眠狀態(tài)。DSC具有低功耗工作模式,在該模式下只有內(nèi)部低功耗振蕩器處于活動狀態(tài)。此后,可透過「輸入捕捉」接腳上的控制脈沖或事

          件喚醒DSC,此時會觸發(fā)資料收集或計算?!篙斎氩蹲健诡l道還可用于獲取特定事件的時間戳記。

          DSC設備上除了有「輸入捕捉」頻道外,還有多個「輸出比較」頻道?!篙敵霰容^」模塊基本上用于從通用內(nèi)建定時器觸發(fā)輸出接腳狀態(tài)轉換來產(chǎn)生所需波形,其通常具有脈沖寬度調變(Pulse Width Modulation, PWM)功能。

          「輸出比較」訊號在傳感器應用中有很多用途。例如,PWM訊號可用于基本的電機控制。語音錄音通常以壓縮形式儲存在內(nèi)建閃存中并實時進行解壓縮,其可以轉換成PWM波形的工作周期,然后透過外接低通濾波器電路,從揚聲器播放出來。

          I/O位準變化通知功能

          在許多情況下,傳感器應用中的控制器可能需要根據(jù)某些通用I/O接腳的狀態(tài)變化來切換工作模式或產(chǎn)生警報。DSC可以透過產(chǎn)生中斷快速響應此狀態(tài)變化。

          通訊周邊不可或缺

          由于基于傳感器的系統(tǒng)的空間分布越來越廣,數(shù)量越來越多,控制器須要透過某種通訊總線或網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通訊。

          在一些應用中,為了記錄或以圖表顯示從傳感器獲取的資料,控制器可能必須透過標準協(xié)議如RS-232和RS485發(fā)送數(shù)據(jù)到個人計算機(PC)或邏輯器??刂破髋紶栆部赡苓x擇使用外接調制解調器透過電話線發(fā)送數(shù)據(jù)。

          為此,DSC芯片提供16位可尋址通用異步收發(fā)器(UART)接口。在某些情況下,甚至可能在處理器內(nèi)的軟件中實現(xiàn)調制解調器通訊協(xié)議--分時多任務(Time-Division-Multiplexed, TDM)串行通訊接口或轉碼器接口有利于與調制解調器前端芯片組的通訊。

          另一方面,某些周邊使用I2C協(xié)議進行通訊。例如,憑借I2C,DSC可以使用外接串行EEPROM來儲存和存取HTML網(wǎng)頁,以直觀監(jiān)測和控制傳感器次系統(tǒng)的運行。在基于因特網(wǎng)的系統(tǒng)中,應用軟件中可能須要包含低成本的TCP/IP軟件協(xié)議,并且可以使用透過16位串行周邊接口(SPI)與DSC進行通訊的以太網(wǎng)絡收發(fā)器芯片實現(xiàn)透過以太網(wǎng)絡連接的通訊。

          DSC的內(nèi)建SPI頻道還有其它常見用途。例如,可能須要使用外接數(shù)字電位計或可程序化增益放大器,來動態(tài)調節(jié)一個或多個傳感器的增益。位置互相靠近的不同傳感器次系統(tǒng)間,可能經(jīng)常需要同時開展通訊。為了應對這種情況,DSC設備通常包含一個或多個16位SPI。

          討論通訊接口和周邊時,若不提及功能穩(wěn)健且靈活的控制局域網(wǎng)絡(Controller Area Network, CAN)協(xié)議,那么該討論肯定不完整。CAN協(xié)議是汽車應用(工業(yè)和醫(yī)療應用中也越來越多)中網(wǎng)絡次系統(tǒng)的事實標準,也是其它應用領域中的一種新興技術。

          請注意,這些應用領域中廣泛采用傳感器訊號處理次系統(tǒng)。包含多個內(nèi)建CAN通訊接口的DSC設備,尤其是帶有支持數(shù)據(jù)過濾和緩沖的精密硬件的DSC設備,非常適用于網(wǎng)絡傳感器處理。

          感測實例應用說明

          接著說明幾個基于傳感器的系統(tǒng)的范例,在這些范例中,DSC提供理想的架構解決方案。這里并未逐一羅列所有的情況,僅為說明DSC在傳感器應用中應用廣泛而已。

          溫度量測運算 DSC效益顯著

          在傳感器測量的各種物理量中,溫度測量可能最為常見。在工業(yè)設備、化工廠、暖氣、通風與空調(Ventilation and Air Conditioning, HVAC)系統(tǒng)、計算機安裝和電池管理系統(tǒng)等眾多系統(tǒng)中,溫度測量是極其重要的一個方面。若要根據(jù)所測量的電阻準確計算溫度如使用電阻式溫度檢測器或熱敏電阻,須要進行對數(shù)計算和除法,在此過程中,DSC的DSP功能將非常有效。在某些配置中,須要差動ADC輸入。

          將熱電偶用作溫度傳感器時,所產(chǎn)生的電壓很小,因而容易受到寄生結效應的干擾。在使用P-N結(硅)傳感器的情況下,所產(chǎn)生的電壓將隨設備的不同而有所變化,難以進行準確的測量。不管是哪一種情況,在內(nèi)建數(shù)據(jù)EEPROM或閃存程序內(nèi)存上儲存和存取校準常數(shù)的功能,都有助于補償這種不需要的效應。

          類似地,須要對熱電偶和紅外線(IR)溫度檢測器所產(chǎn)生的非線性輸出進行數(shù)學運算,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。



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