智能传感器信号处理（上）
智能传感器 凡是利用一定的物性（物理、化学、生物）法则、定理、定律、效应等把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。传感器是测试系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测试的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的系统”。传感器是传感系统的一个组成部分，它是被测试信号输入的第一道关口。 [全文]
传感器
传感器是用于检测、监视和响应(如有需要)温度、压力、湿度和运动等物理参数的器件。它们是许多实际系统不可或缺的组件，在工业、消费电子、汽车、医疗和军事方面应用非常广泛。过去，从传感器猎取的数据被直接发送到中心单元，然后中心单元可能会使用分立式硬件或数字逻辑对传感器数据执行后处理或显示。随着8位单片机单片机
单片机是单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer）的简称，是一种将中心处理器微处理器随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）采纳超大规模集成电路技术集成到一块硅片上构成的微型计算机系统。 [全文]
(MCU)等嵌入式处理器解决方案的出现，将程序固定的中心硬件替换为可通过编程来执行应用所需特定任务的MCU所带来的优势愈加明显。但是，8位MCU只能执行计算密集度不大的系统基本处理任务。传感器信号融合
传感器应用复杂度的飞速提升使得将更强大的智能嵌入到传感器接口势在必行。很多应用均采纳多个传感器来猎取各种测试数据，并且采纳十分先进的方法对数据进行处理。在某些情况下，必须同时处理来自多种传感器的信号(因而需要利用同一个MCU)，这种情形可以称为“传感器信号融合”。每种类型的传感器都有自己的信号特性，并且需要通过不同的后处理来从中提取有用的信息，这就会增大微处理器计算量和外设数据处理量。
容错
对于处理器而言，监视传感器信号和检测可能会引起系统完全失效的错误也非常有用;检测出错误情况之后可完全关闭系统或切换到冗余备份传感器。假如在错误检测流程中再加入一个步骤，就可以在故障实际产生之前对其进行猜测，这将大大简化现场硬件维护和保养。此类“容错”算法和技术可能会相当复杂，需要更高的计算能力、更大的存储容量和更丰富的外设功能，因此有必要升级到16位MCU。
分布式处理
在许多应用中，传感器物理地分散在较广的区域内，如分散在大型建筑或工厂内，或分散在汽车的不同零部件内。对于这样的分布式系统来说，集中式处理/操纵方法往往被证实无效，或者在最佳情况下仍然低效。要减轻中心操纵单元在处理和数据存储方面的压力，最好将处理能力分散到多个靠近传感器或者甚至与传感器集成的MCU上。但是这种“分布式传感器处理”方法需要各种强大的信号转换和通信外设。
智能传感器处理信号链
传感器信号处理包括各种各样的嵌入式应用，但是我们可以概括地定义代表传感器处理系统特点的通用信号链。传感器应用的主要组件是传感元件(也称为变换器)、信号调理电路(多数是模拟电路元件)，以及嵌入式微处理器(或者，在某些情况下是简洁硬连线的数字逻辑电路逻辑电路
逻辑电路是包含逻辑关系的数字电路， 以二进制为原理、实现数字离散信号的传递，逻辑运算和操作的电路。最基本的逻辑电路是常见的门电路，而最简洁的门电路为与电路、或电路和非电路。 [全文]
或专用IC，即ASIC)。
传感元件
传感元件(实际上就是“传感器”的意思)是用于将感爱好的物理参数转换成某种电信号的器件。智能传感器处理应用经常使用多个传感元件，它们或者属于同一类型(例如空调系统中的多个热敏电阻电阻
电阻，物质对电流的阻碍作用就叫该物质的电阻。电阻小的物质称为电导体，简称导体。电阻大的物质称为电绝缘体，简称绝缘体。 [全文]
)，或者属于不同类型(例如一台工业机械设备中的热电偶和一氧化碳探测器)。每种类型的传感器都有自己的一套信号调理和数据后处理要求。 可以根据所测试的物理参数对传感元件进行广义分类。例如：温度传感器温度传感器
温度压力传感器是由温度敏感元件和检测线路组成的。温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度传感器直接与待测物体接触，来敏感被测物体温度的变化，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离，检测从待测物体放射出的红外线，从而达到测温的目的。 传统的热电偶、热电阻、热敏电阻及半导体温度传感器都是将温度值经过一定的接口电路转换后输出模拟电压或电流信号，利用这些电压或电流信号即可进行测试操纵。而将模拟温度传感器与数字转换接口电路集成在一起，就成为具有数字输出能力的数字温度传感器。随着半导体技术的迅猛进展，半导体温度传感器与相应的转换电路、接口电路以及各种其它功能电路逐渐集成在一起，形成了功能强大、精确、价廉的数字温度传感器。 [全文]
，压力传感器压力传感器压力传感器是 将压力转换为电信号输出的传感器，通常把压力测试仪表中的电测式仪表。压力传感器一般由弹性敏感元件和位移敏感元件（或应变计）组成。弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变计转换为与压力成一定关系的电信号。有时把这两种元件的功能集于一体。压力传感器广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。 [全文]
，流量传感器流量传感器空气流量传感器是测定吸入发动机的空气流量的传感器。电子操纵汽油喷射发动流量传感器机为了在各种运转工况下都能获得最佳浓度的混合气，必须正确地测定每一瞬间吸入发动机的空气量，以此作为ECU计算(操纵)喷油量的主要依据。假如空气流量传感器或线路出现故障，ECU得不到正确的进气量信号，就不能正常地进行喷油量的操纵，将造成混合气过浓或过稀，使发动机运转不正常。 [全文]
，气体/化学传感器，声音/超声波传感器超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下产生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，非凡是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。 [全文]
，位置/运动传感器，加速计，图像传感器，光传感器等。也可以根据传感器输出的电信号的类型对传感器进行分类。概括而言，共有4种常见的传感器类型：电压传感器、电流传感器、频率传感器、数字传感器。
传感器的信号调理电路
简洁地说，信号调理电路将传感元件的输出信号映射到其余电子电路或应用软件可以处理的范围内。传感器应用所需的具体信号调理电路取决于所采纳的传感器的类型。例如，某个传感器根据所测试的物理参数的大小产生输出电压，其需要的信号调理能力可能不同于产生可变电阻的传感器。从本质上说，传感器应用均有以下共同的信号调理要求。
首先，传感器产生的信号必须尽量幸免混入噪声。而且，信号的频谱(也就是信号带宽)必须根据某些约束条件限制在特定的范围内。因而经常有必要使用一种称为防混叠滤波器滤波器
凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。在近代电信装备和各类操纵系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最复杂要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。 [全文]
的器件。其次，传感器产生的信号(不管是电压、电流还是频率)的振幅通常较小。为了正确处理信号，使系统尽量不受噪声的影响，需要将信号放大。除了滤波和放大之外，还需要使用模数转换器(ADC)将信号转换成数字形式，这增加了信号调理要求。除了要放大信号，可能还需要对信号进行转换，使其能适应不同的ADC参考电压。但是，很多ADC，尤其是MCU或数字信号操纵器(DSC)中包含的ADC，仅对单极性输入有效。也就是说，输入电压不能相对于地在正负电平之间变换。在这种情况下，就需要使用电平位移器。
图2举例示出了某个具体的传感器处理应用所需的信号调理电路。在本例中，使用一个三运放差分放大器将热电偶产生的差分输出电压放大，然后送入片上ADC的输入端。与此相似， ADC的另一个输入可用于补偿热电偶引线结点和PCB(印制板)布线交汇处产生的电压的影响(更多地用于补偿后者)。
图2 热电耦的信息调理
传感器的处理器
即使在经过相当多的信号调理之后，若可从随时间变化的电信号中提取出相关信息，传感器产生的信号才有用。这一提取过程通过嵌入式微处理**来完成，传统上使用MCU或DSP。因此，显而易见，处理**的功能以及其上运行的应用软件的功能才是系统中最要害的因素——这就是为智能传感**处理系统提供所有“智能”的处理**子系统。
处理传感**的输出的第一步是将模拟信号(通常被调理成提供变化的模拟电压)转换成数字形式。由此可以推断，ADC在决定整个传感**处理系统的精确度方面起着至关重要的作用。ADC必须提供足够高的分辨率和具有较好的精度特性，如积分非线性(Integral Non-Linearity，INL)和微分非线性(Differential Non-Linearity，DNL)。
通常，可能需要对从传感**猎取的数据执行大量的后处理操作。此类操作的例子如下。
● 数据的有限冲激响应(Finite Impulse Response，FIR)和无限冲激响应(Infinite Impulse Response，IIR)滤波，主要用于消除噪声。可能需要不同类型的滤波**。例如，假如目标仅仅是限制信号的带宽和去除高频噪声，则使用低通滤波**或带通滤波**比较合适。另一方面，假如系统易受电源引入的噪声的影响，则使用高通滤波**或陷波滤波**(具体取决于所需信号的频谱)更合适。
● 进行快速傅里叶变换(FFT)计算以分析数据，以便将频域数据用于进一步的处理阶段。这一操作对于信息包含在输出信号的频率中的传感**尤为重要，例如基于多普勒效应的超声波传感**或声音传感**。
● 传感**数据的静态或周期性校准。校准是通过提供一组已知的传感**输入并测试相应的输出来设置传感**输出与所需物理参数之间的映射的过程。
● 传感**输出与所测试的物理参数之间通常不是线性关系。在此类情况下(例如热电偶)，必须将采样后的传感**数据“线性化”以补偿输入/输出之间的这种非线性关系。该过程通常会涉及高密集度的计算，如应用高次多项式。
● 根据输入数据的大小对其进行换算和归一化。此类计算要求传感**接口使用的处理**具有相当高速的数学运算能力，一般的16位MCU架构无法满足要求。
此外，在很多应用中，并不只是简洁地对传感**信号进行分析和解读，还需要执行操纵操作对传感**信号进行响应。这些操作可能包括以下任务：
● 调整传感**信号分析软件所使用的校准参数，以便可以正确分析传感**输出;
● 向其他处理子系统传送数据，例如，汽车轮胎上的胎压监视**向仪表盘定期发送压力数据并发送警报;
● 在互联网上更新数据，例如定期读取****读数或定期收集工业数据采集系统的数据;
● 操纵电机、电源、继电器继电器
继电器是我们生活中常用的一种操纵设备，通俗的意义上来说就是开关，在条件满足的情况下关闭或者开启。继电器的开关特性在很多的操纵系统尤其是离散的操纵系统中得到广泛的应用。从另一个角度来说，由于为某一个用途设计使用的电子电路，最终或多或少都需要和某一些机械设备相交互，所以继电器也起到电子设备和机械设备的接口作用。 [全文]
、开关开关开关是最常见的电子元件，功能就是电路的接通和断开。接通则电流可以通过，反之电流无法通过。在各种电子设备、家用电器中都可以见到开关。 [全文]
和其他器件;● 容错措施，如修正与故障传感器对应的数据或切换到其他传感元件。
传统上使用数字信号处理器(DSP)执行此类数学计算密集的任务。不过，DSP本身(没有关联MCU)并不是非常适用于传感器接口，理由主要有四个：
● DSP器件没有灵活的中断结构;
● DSP器件在操纵位(例如单独的I/O引脚)方面的效率不高;
● DSP器件在很大程度上依靠于片外存储器存储器
存储器是用来存储程序和数据的部件，有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。它根据操纵器指定的位置存进和取出信息。 [全文]
和外设;● DSP器件的引脚数一般都比较多，但是传感器处理所需的引脚数应该要非常少，这一点非常重要，因为很多应用一般都有空间限制，并且对成本敏感。
另一种适用于高性能智能传感器系统的有效单片架构平台是16位数字信号操纵器(DSC)，如Microchip Technology(美国微芯科技公司)的dsPIC33F系列。DSC是一种创新的混合处理器架构，它集16位MCU的操纵功能与丰富的DSP功能于一身。DSC架构非常适用于提供周期性中断，以及捕捉来自多个传感器和操纵输入端的数据。假如需要，DSC架构可以与分布式系统中的其他操纵器模块共享数据。另一方面，DSC的微处理器支持一系列强大的DSP指令和灵活的寻址模式，因而能够快速正确地进行算术和逻辑运算。现在，让我们来深入了解使DSC架构适用于智能传感器信号处理的典型特性。(未完待续)
来源:阴雨
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