一文匯總高性能的智能傳感器應(yīng)用

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式。這對工程師來說無疑是個好消息。因為在之前的設(shè)計中，工程師可能因難以確定該讓功耗還是性能主導其設(shè)計而延誤了時機。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)選項進行量化；這一做法將重新定義架構(gòu)師的工作。

組成智能傳感器架構(gòu)的5個部分，你都造嗎？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。

核心傳感器

智能傳感器節(jié)點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，其將物理條件或?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。

濾波器

濾波器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，它將隨機振動與可能指示機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

校準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，通常是在嚴格受控條件下進行測量，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，校準過程涉及到觀測MEMS加速度計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）：

數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理功能用于將校準且濾波的傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適當?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)換或帶頻譜報警的快速傅里葉變換（FFT）。在傾斜檢測應(yīng)用中，智能傳感器會利用如下將傳感器對重力的加速度響應(yīng)轉(zhuǎn)換成方位角估計值。

這三個關(guān)系式分別代表使用一個、兩個和三個加速度計測量結(jié)果的傾斜估計，假設(shè)各加速度計完全正交。

通信/存儲

通信/存儲功能支持所有物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)的數(shù)據(jù)分級和連接（加密/安全、存儲和分析）。

周期供電操作，你必須知道的那點事兒電源管理（PM）功能對典型智能傳感器有三個作用——

1）管理信號鏈中所有器件的上電時序要求。

2）將電源供應(yīng)轉(zhuǎn)換成適當?shù)碾妷簛碇С中盘栨溨兴衅骷淖顑?yōu)運行。

3）在以一定時間間隔進行測量的系統(tǒng)中，提供排程信號來觸發(fā)每次測量事件。

周期供電是識別智能傳感器節(jié)點中此類斷續(xù)操作的常見方法。在兩次測量事件之間，智能傳感器處于低功耗（或零功耗）狀態(tài)，這種技術(shù)有助于節(jié)能。圖3顯示了一個采用此技術(shù)的智能傳感器在一個完整測量周期上的瞬時功耗。

圖3：基本供電周期圖

下方程提供了一個利用圖3所示運行特性來估算平均功耗（PAV）的簡單關(guān)系式。

PON是智能傳感器節(jié)點執(zhí)行采樣并處理數(shù)據(jù)以產(chǎn)生和傳輸相關(guān)測量結(jié)果的平均功耗。

POFF是智能傳感器節(jié)點支持低功耗睡眠模式所需的平均功耗。

tON是智能傳感器開啟、產(chǎn)生測量結(jié)果、將該結(jié)果傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云、然后關(guān)閉所需的時間。

tOFF是智能傳感器處于靜止狀態(tài)（睡眠模式或完全關(guān)斷）的時間。

T為平均測量周期時間。

測量過程必須得清清楚楚噠

在其開啟時間（tON ）內(nèi)，智能傳感器通常會經(jīng)歷多個不同運行狀態(tài)。圖4和下方公式顯示了一個示例序列，其將開啟時間分為四段：初始化、建立、處理和通信。

圖4：智能傳感器測量周期序列

TI 是初始化時間，代表從施加電源（VSP）到信號鏈中的各器件準備好支持數(shù)據(jù)采樣和處理的時間。

tS 是建立時間，代表從第一個數(shù)據(jù)樣本到濾波器輸出（VSM）建立于足夠高的精度水平的時間。

tP 是處理時間，代表從濾波器建立到產(chǎn)生測量結(jié)果所需的時間。這可能包括應(yīng)用校準公式、專門的信號處理以及根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)安全協(xié)議進行數(shù)據(jù)加密的時間。

tC 是通信時間，代表連接云服務(wù)、發(fā)送加密數(shù)據(jù)以及支持差錯校驗或身份驗證服務(wù)所需的時間。

如何降低建立時間影響，follow me~根據(jù)測量周期的階段劃分（圖4），很明顯，在濾波器建立時間這一段中，噪聲可能會影響周期供電的智能傳感器節(jié)點的功耗。一般而言，來自均值操作的噪聲幅度的降低量與均值時間的平方根成比例，而能耗的增加量與均值時間是直接比例關(guān)系。因此，噪聲幅度降低10倍會引起能耗（濾波建立期間）增加100倍！這種不成比例的權(quán)衡關(guān)系很快會對只需最少濾波（最低噪聲）的傳感器有利。

圖5：微波天線平臺

考慮圖5所示的微波天線平臺，其停靠在一個塔式平臺上。在此類通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)鏈路的可靠性取決于指向角的精度。為了維持指向角，可能需要手動調(diào)整，特別是地震或其他原因擾動了天線所?？康钠脚_之后。此類遠程維護的成本高昂，而且不及時響應(yīng)，因此，作為維護響應(yīng)策略的一部分，一家天線運營商正研究利用MEMS加速度計監(jiān)控天線方向變化的可行性。

工程師們根據(jù)最基本的功能要求開始了此次調(diào)研：維持各天線平臺的可靠通信。該系統(tǒng)中，可靠的數(shù)據(jù)通信要求天線指向角始終位于天線的半功率波束寬度（HPBW，參見圖5）以內(nèi)。因此，他們決定：如果天線在短時間內(nèi)的方向變化達到天線HPBW的25%，那么就觸發(fā)一次實地維護需求。

在支持此目標的誤差預(yù)算內(nèi)，架構(gòu)師允許傾斜測量的峰值噪聲為測量目標（HPBW的25%）的10%。為簡明起見，架構(gòu)師還指定噪聲峰值等于噪聲均方根（rms）值的3倍。方程7反映了所有這些限定條件，并將其簡化為一個關(guān)系式，即傾斜測量中的噪聲必須小于HPBW/120。