物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器的噪聲與功耗

對(duì)于那些為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)發(fā)智能傳感器的人士而言，性能與功耗的關(guān)系是最微妙的權(quán)衡考慮。在廣闊的性能空間中，噪聲常常是一個(gè)重要的評(píng)估因素，因?yàn)樗苤萍s智能傳感器中關(guān)鍵功能模塊的器件選擇，進(jìn)而提高功耗負(fù)擔(dān)。此外，噪聲特性在很大程度上決定了濾波要求，而這又會(huì)影響傳感器對(duì)條件快速變化的響應(yīng)能力，延長(zhǎng)產(chǎn)生高質(zhì)量測(cè)量結(jié)果所需的時(shí)間。

在支持連續(xù)觀測(cè)（采樣、處理、通信）的應(yīng)用中，系統(tǒng)架構(gòu)師常常不得不解決噪聲與功耗相互對(duì)立的關(guān)系，因?yàn)樵肼曌畹偷慕鉀Q方案很少正好也是功耗最低的解決方案（就特定功能類(lèi)別的器件而言）。例如，MEMS加速度計(jì)常常用作遠(yuǎn)程傾斜測(cè)量系統(tǒng)的核心傳感器。表1顯示了兩款不同產(chǎn)品的重要特性，它們提供目前在業(yè)界領(lǐng)先的噪聲或功耗性能：ADXL355（低噪聲）和ADXL362（低功耗）。

表1包括四行，其中三行對(duì)應(yīng)ADXL362的可選工作模式，剩下的一行給出了ADXL355的主要指標(biāo)。從這一權(quán)衡空間的關(guān)鍵邊界開(kāi)始，ADXL355的噪聲比最低功耗模式的ADXL362要低幾乎27倍，但前者的功耗要高得多。性能要求更具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用可能需要考慮ADXL362的最高性能模式，此時(shí)ADXL355的噪聲要低9倍，但ADXL362的功耗要低13倍。

在不需要連續(xù)觀測(cè)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(bǔ)式。這對(duì)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)無(wú)疑是個(gè)好消息。因?yàn)樵谥暗脑O(shè)計(jì)中，開(kāi)發(fā)人員可能因難以確定該讓功耗還是性能主導(dǎo)其設(shè)計(jì)而延誤了時(shí)機(jī)。而現(xiàn)在，無(wú)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(duì)權(quán)衡范圍內(nèi)的相關(guān)選項(xiàng)進(jìn)行量化；這一做法將重新定義架構(gòu)師的工作。

智能傳感器架構(gòu)

為了量化特定應(yīng)用的相關(guān)選項(xiàng)，首先需要對(duì)信號(hào)鏈做一些假設(shè)，因此可以從概念架構(gòu)開(kāi)始。圖1是智能傳感器架構(gòu)的一般例子，其中包含了最常見(jiàn)的功能。

圖1.智能傳感器架構(gòu)

核心傳感器

智能傳感器節(jié)點(diǎn)中的信號(hào)鏈從核心傳感器功能開(kāi)始。最基本形式的核心傳感器也稱(chēng)為變換器，其將物理?xiàng)l件或?qū)傩赞D(zhuǎn)換成代表性的電信號(hào)。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(xiàn)性關(guān)系。例如，提供模擬輸出的溫度傳感器（如AD590）的比例因子單位為mV/°C；數(shù)字加速度計(jì)（如ADXL355）的比例因子用LSB/g或碼數(shù)/g來(lái)表示。

濾波器

信號(hào)鏈（圖1）的下一個(gè)功能模塊是濾波器。這一級(jí)的作用是降低核心傳感器可能支持，但與應(yīng)用無(wú)關(guān)的頻段中的噪聲。在振動(dòng)監(jiān)控應(yīng)用中，這可能是一個(gè)帶通濾波器，它將隨機(jī)振動(dòng)與可能指示機(jī)器壽命減損的特定頻譜特征分離開(kāi)來(lái)。在傾斜傳感器中，這可能是一個(gè)簡(jiǎn)單的低通濾波器，例如移動(dòng)平均濾波器。這種情況下，時(shí)長(zhǎng)是建立時(shí)間與濾波器輸出殘余噪聲之間的一個(gè)重要權(quán)衡因素。圖2顯示了ADXL355艾倫方差曲線(xiàn)的例子，它表示相對(duì)于產(chǎn)生測(cè)量的均值時(shí)間，測(cè)量的不確定性（噪聲）。

圖2.艾倫方差曲線(xiàn)：ADXL355和ADXL362

校準(zhǔn)

校準(zhǔn)功能的作用是通過(guò)應(yīng)用校正公式來(lái)提高測(cè)量精度。在要求極高的應(yīng)用中，通常是在嚴(yán)格受控條件下進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)直接觀測(cè)傳感器響應(yīng)來(lái)獲得此類(lèi)校正公式。例如在傾斜傳感器應(yīng)用中，校準(zhǔn)過(guò)程涉及到觀測(cè)MEMS加速度計(jì)在多個(gè)不同方向上相對(duì)于重力的輸出。這種觀測(cè)的一般目標(biāo)是觀測(cè)傳感器對(duì)足夠多取向的響應(yīng)，從而求解如下關(guān)系式（參見(jiàn)方程1）中所有12個(gè)校正系數(shù)（m11、m12、m13、m21、m22、m23、m31、m32、m33、bx、by、bz）：

方程1中的校正系數(shù)用于處理偏置、靈敏度和對(duì)準(zhǔn)誤差。此公式還可以擴(kuò)展以包括更高階傳感器特性（非線(xiàn)性）或環(huán)境相關(guān)性（溫度、電源電平）。

數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理功能用于將校準(zhǔn)且濾波的傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)臏y(cè)量結(jié)果以對(duì)應(yīng)用提供最佳支持。在振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中，這可能是簡(jiǎn)單的RMS-DC轉(zhuǎn)換或帶頻譜報(bào)警的快速傅里葉變換（FFT）（參見(jiàn)ADIS16228）。在傾斜檢測(cè)應(yīng)用中，智能傳感器會(huì)利用方程2、方程3或方程4將傳感器對(duì)重力的加速度響應(yīng)轉(zhuǎn)換成方位角估計(jì)值。