智能傳感器信號(hào)處理的需求分析

累加器寬度為40位(而非32位)時(shí)，可以將數(shù)據(jù)暫時(shí)「溢出」(這在累加器中累加大量值時(shí)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(jī)制，將值保持在允許的范圍內(nèi)，并在將值寫回RAM時(shí)對(duì)值進(jìn)行取整或換算。DSC的另一項(xiàng)特性(也是微控制器一般缺少的)是其解讀分?jǐn)?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?jǐn)?shù)運(yùn)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(dòng)數(shù)據(jù)，支持環(huán)形緩沖區(qū)和位反轉(zhuǎn)尋址，以及零耗循環(huán)(Zero Overhead Loop)。很顯然地，DSC提供了非常強(qiáng)大的使用者友善型中央處理器架構(gòu)來(lái)處理或分析傳感器數(shù)據(jù)。

靈活的中斷結(jié)構(gòu)

DSC設(shè)備的中斷結(jié)構(gòu)擁有極高的靈活性。一般來(lái)說(shuō)，支持大量可單獨(dú)允許并設(shè)置優(yōu)先級(jí)的中斷源和向量，這對(duì)涉及多個(gè)傳感器的應(yīng)用非常有利。其中斷延遲應(yīng)該具有高確定性，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)開發(fā)人員的工作。顯著提高智能傳感器訊號(hào)處理應(yīng)用效率的另一個(gè)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(dòng)傳輸大批量的數(shù)據(jù)。

運(yùn)行時(shí)自我燒錄(RTSP)

大多數(shù)傳感器應(yīng)用都須要儲(chǔ)存常數(shù)，其用于根據(jù)環(huán)境條件、變換器輸出與預(yù)測(cè)量之間的偏差量，來(lái)校準(zhǔn)從傳感器獲取的資料。后制算法也會(huì)使用常數(shù)，如濾波系數(shù)或快速傅立葉轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)因子。但是，在RAM中儲(chǔ)存此類常數(shù)會(huì)浪費(fèi)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存空間。

DSC設(shè)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(chǔ)器(EEPROM)，可用于高效可靠地儲(chǔ)存和存取此類常數(shù)。在閃存DSC設(shè)備中，使用者的程序甚至可以實(shí)時(shí)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(shí)體電路串行燒錄

借助閃存DSC，使用者能夠使用稱為實(shí)體電路串行燒錄(In-Circuit Serial Programming, ICSP)的方法在現(xiàn)場(chǎng)輕松升級(jí)應(yīng)用韌體。實(shí)體電路串行燒錄，不僅可以修正傳感器校準(zhǔn)或軟件漏洞，以最少的成本和最短的延遲提供更強(qiáng)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(cè)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(cè)量輸入量的微小且快速的變化。對(duì)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(gè)最低有效位的ADC也不行。

此外，為測(cè)量不同類型參數(shù)而采用多種傳感器的任何應(yīng)用，都要求ADC支持多種采樣、轉(zhuǎn)換和觸發(fā)選項(xiàng)。DSC通常包含多個(gè)模擬輸入頻道(因而能夠與多個(gè)變換器相連接)、靈活的采樣/轉(zhuǎn)換選項(xiàng)(如自動(dòng)在多個(gè)輸入之間切換以實(shí)現(xiàn)連續(xù)采樣)，以及測(cè)量差動(dòng)輸入的功能等。為了減少讀取轉(zhuǎn)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?jǐn)?shù)或有符號(hào)/無(wú)符號(hào))的大內(nèi)存映像ADC緩沖區(qū)。

內(nèi)建數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)模塊將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(通常來(lái)自對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析)轉(zhuǎn)換成可用于驅(qū)動(dòng)外接設(shè)備(如制動(dòng)器)的模擬訊號(hào)。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(yáng)聲器，用于播放語(yǔ)音形式的系統(tǒng)使用說(shuō)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(yīng)用中，控制器可能會(huì)僅為了響應(yīng)特定事件而讀取來(lái)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(cè)到某種脈沖或訊號(hào)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(dòng)狀態(tài)。此后，可透過(guò)「輸入捕捉」接腳上的控制脈沖或事

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

DSC設(shè)備上除了有「輸入捕捉」頻道外，還有多個(gè)「輸出比較」頻道。「輸出比較」模塊基本上用于從通用內(nèi)建定時(shí)器觸發(fā)輸出接腳狀態(tài)轉(zhuǎn)換來(lái)產(chǎn)生所需波形，其通常具有脈沖寬度調(diào)變(Pulse Width Modulation, PWM)功能。

「輸出比較」訊號(hào)在傳感器應(yīng)用中有很多用途。例如，PWM訊號(hào)可用于基本的電機(jī)控制。語(yǔ)音錄音通常以壓縮形式儲(chǔ)存在內(nèi)建閃存中并實(shí)時(shí)進(jìn)行解壓縮，其可以轉(zhuǎn)換成PWM波形的工作周期，然后透過(guò)外接低通濾波器電路，從揚(yáng)聲器播放出來(lái)。

I/O位準(zhǔn)變化通知功能

在許多情況下，傳感器應(yīng)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(lái)切換工作模式或產(chǎn)生警報(bào)。DSC可以透過(guò)產(chǎn)生中斷快速響應(yīng)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(lái)越廣，數(shù)量越來(lái)越多，控制器須要透過(guò)某種通訊總線或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

在一些應(yīng)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議如RS-232和RS485發(fā)送數(shù)據(jù)到個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)或邏輯分析器?？刂破髋紶栆部赡苓x擇使用外接調(diào)制解調(diào)器透過(guò)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(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器通訊協(xié)議--分時(shí)多任務(wù)(Time-Division-Multiplexed, TDM)串行通訊接口或轉(zhuǎn)碼器接口有利于與調(diào)制解調(diào)器前端芯片組的通訊。

另一方面，某些周邊使用I2C協(xié)議進(jìn)行通訊。例如，憑借I2C，DSC可以使用外接串行EEPROM來(lái)儲(chǔ)存和存取HTML網(wǎng)頁(yè)，以直觀監(jiān)測(cè)和控制傳感器次系統(tǒng)的運(yùn)行。在基于因特網(wǎng)的系統(tǒng)中，應(yīng)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(guò)16位串行周邊接口(SPI)與DSC進(jìn)行通訊的以太網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器芯片實(shí)現(xiàn)透過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)連接的通訊。

DSC的內(nèi)建SPI頻道還有其它常見(jiàn)用途。例如，可能須要使用外接數(shù)字電位計(jì)或可程序化增益放大器，來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)一個(gè)或多個(gè)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(shí)開展通訊。為了應(yīng)對(duì)這種情況，DSC設(shè)備通常包含一個(gè)或多個(gè)16位SPI。

討論通訊接口和周邊時(shí)，若不提及功能穩(wěn)健且靈活的控制局域網(wǎng)絡(luò)(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(yīng)用(工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中也越來(lái)越多)中網(wǎng)絡(luò)次系統(tǒng)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，也是其它應(yīng)用領(lǐng)域中的一種新興技術(shù)。

請(qǐng)注意，這些應(yīng)用領(lǐng)域中廣泛采用智能傳感器訊號(hào)處理次系統(tǒng)。包含多個(gè)內(nèi)建CAN通訊接口的DSC設(shè)備，尤其是帶有支持?jǐn)?shù)據(jù)過(guò)濾和緩沖的精密硬件的DSC設(shè)備，非常適用于網(wǎng)絡(luò)傳感器處理。

感測(cè)實(shí)例應(yīng)用說(shuō)明

接著說(shuō)明幾個(gè)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(gòu)解決方案。這里并未逐一羅列所有的情況，僅為說(shuō)明DSC在傳感器應(yīng)用中應(yīng)用廣泛而已。

溫度量測(cè)運(yùn)算 DSC效益顯著

在傳感器測(cè)量的各種物理量中，溫度測(cè)量可能最為常見(jiàn)。在工業(yè)設(shè)備、化工廠、暖氣、通風(fēng)與空調(diào)(Ventilation and Air Conditioning, HVAC)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)安裝和電池管理系統(tǒng)等眾多系統(tǒng)中，溫度測(cè)量是極其重要的一個(gè)方面。若要根據(jù)所測(cè)量的電阻準(zhǔn)確計(jì)算溫度如使用電阻式溫度檢測(cè)器或熱敏電阻，須要進(jìn)行對(duì)數(shù)計(jì)算和除法，在此過(guò)程中，DSC的DSP功能將非常有效。在某些配置中，須要差動(dòng)ADC輸入。

將熱電偶用作溫度傳感器時(shí)，所產(chǎn)生的電壓很小，因而容易受到寄生結(jié)效應(yīng)的干擾。在使用P-N結(jié)(硅)傳感器的情況下，所產(chǎn)生的電壓將隨設(shè)備的不同而有所變化，難以進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)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(chǔ)存和存取校準(zhǔn)常數(shù)的功能，都有助于補(bǔ)償這種不需要的效應(yīng)。

類似地，須要對(duì)熱電偶和紅外線(IR)溫度檢測(cè)器所產(chǎn)生的非線性輸出進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，使其線性化。例如，K型熱電偶使用下列線性化多項(xiàng)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。