【導(dǎo)讀】傳感器的數(shù)量在整個(gè)地球表面和人們生活周遭空間激增，提供世界各種數(shù)據(jù)訊息。這些價(jià)格親民的傳感器是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和我們的社會(huì)正面臨數(shù)字化革命背后的驅(qū)動(dòng)力，然而連接和獲取來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)并不總是直線前進(jìn)或那么容易。本文將介紹傳感器技術(shù)指標(biāo)、5大設(shè)計(jì)技巧及代工企業(yè)。
傳感器的數(shù)量在整個(gè)地球表面和人們生活周遭空間激增，提供世界各種數(shù)據(jù)訊息。這些價(jià)格親民的傳感器是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和我們的社會(huì)正面臨數(shù)字化革命背后的驅(qū)動(dòng)力，然而連接和獲取來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)并不總是直線前進(jìn)或那么容易。本文將介紹傳感器技術(shù)指標(biāo)、5大設(shè)計(jì)技巧及代工企業(yè)。
首先技術(shù)指標(biāo)是表征一個(gè)產(chǎn)品性能優(yōu)劣的客觀依據(jù)。看懂技術(shù)指標(biāo)，有助于正確選型和使用該產(chǎn)品。傳感器的技術(shù)指標(biāo)分為靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)兩類(lèi)：靜態(tài)指標(biāo)主要考核被測(cè)靜止不變條件下傳感器的性能，具體包括分辨力、重復(fù)性、靈敏度、線性度、回程誤差、閾值、蠕變、穩(wěn)定性等；動(dòng)態(tài)指標(biāo)主要考察被測(cè)量在快速變化條件下傳感器的性能，主要包括頻率響應(yīng)和階躍響應(yīng)等。
由于傳感器的技術(shù)指標(biāo)眾多，各種資料文獻(xiàn)敘述角度不同，使得不同人有不同的理解，甚至產(chǎn)生誤解和歧義。
傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
1、一般所測(cè)得的物理量是非常小的，通常還帶有作為傳感器物理轉(zhuǎn)換元件固有的轉(zhuǎn)換噪聲。比如傳感器在1被放大倍率下的信號(hào)強(qiáng)度為0.1~1uV，此時(shí)的背景噪聲信號(hào)也有這么大的水平，甚至于將其湮滅。如何將有用信號(hào)盡量取出并且壓低噪聲是傳感器設(shè)計(jì)的首要解決的問(wèn)題。
2、傳感器電路一定要簡(jiǎn)單精煉。設(shè)想具有3級(jí)放大電路的，帶有2級(jí)有源濾波器的放大回路，放大了信號(hào)的同時(shí)也將噪聲放大了，如果噪聲不是明顯偏離有用信號(hào)頻譜，則無(wú)論怎樣濾波兩者同時(shí)放大，結(jié)果信噪比沒(méi)有提高。因此傳感器電路一定要精煉簡(jiǎn)約。能省1只電阻或電容就一定要將它去掉。這一點(diǎn)是許多設(shè)計(jì)傳感器的工程師們?nèi)菀缀雎缘膯?wèn)題。已知的情況是，傳感器電路隨著噪聲的問(wèn)題困擾，電路越修改越復(fù)雜，成為怪圈。
3、功耗問(wèn)題。傳感器通常在后續(xù)電路的前端，有可能需要較長(zhǎng)的引線連接。當(dāng)傳感器功耗較大時(shí)引線的連接將會(huì)所有的無(wú)謂噪聲以及電源噪聲引入使得后續(xù)電路愈發(fā)難以設(shè)計(jì)。在夠用的情況小如何降低功耗也是一個(gè)不小的考驗(yàn)。
4、元器件的選用和電源回路。元器件的選用一定要夠用為好，只要器件指標(biāo)在需要的范圍之內(nèi)就可以了，余下的就是電路設(shè)計(jì)問(wèn)題。電源是傳感器電路設(shè)計(jì)過(guò)程一定要遇到的難題，不要追求無(wú)法達(dá)到的電源指標(biāo)，而選擇一款帶有較好的共模抑制比的運(yùn)放，采用差分放大電路設(shè)計(jì)可能最普通的開(kāi)關(guān)電源以及器件就能滿足你的要求。
傳感器五大設(shè)計(jì)技巧
1、先從總線工具開(kāi)始
第一步，工程師應(yīng)當(dāng)采取首次介接到傳感器時(shí)，是透過(guò)一個(gè)總線工具的方式以限制未知。一個(gè)總線工具連接一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC），然后到傳感器的I2C、 SPI或其他可讓傳感器可以“說(shuō)話”的協(xié)議。與總線工具相關(guān)的PC應(yīng)用程序，提供了一個(gè)已知與工作來(lái)源用以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，且不是未知、未經(jīng)認(rèn)證的嵌入式微控制器（MCU）驅(qū)動(dòng)程序。在總線工具的工作環(huán)境下，開(kāi)發(fā)人員可以傳送和接收訊息以得到該部分如何運(yùn)作的理解，在試圖于嵌入式等級(jí)操作之前。
2、在Python編寫(xiě)傳輸接口碼
一旦開(kāi)發(fā)者已嘗試使用總線工具的傳感器，下一步就是為傳感器編寫(xiě)應(yīng)用程序代碼。并非直接跳到微控制器的代碼，而是在Python編寫(xiě)應(yīng)用程序代碼。許多總線 工具在編寫(xiě)腳本（writing scripts）配置了插件（plug-in）和范例碼，Python通常是隨著。NET中可用的語(yǔ)言之一。在Python編寫(xiě)應(yīng)用程序是快速且容易的， 其并提供一個(gè)方法已在應(yīng)用程序中測(cè)試傳感器，這個(gè)方式并未如同在嵌入式環(huán)境測(cè)試的復(fù)雜。擁有高層級(jí)的代碼，將使非嵌入式工程師易于挖掘傳感器的腳本及測(cè) 試，而不需要一個(gè)嵌入式軟件工程師的照看。
3、以Micro Python測(cè)試傳感器
在Python寫(xiě)下第一段應(yīng)用程序代碼的其中一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，透過(guò)調(diào)用Micro Python，應(yīng)用程序調(diào)用到總線工具應(yīng)用程序編程接口（API）可易于進(jìn)行更換。Micro Python運(yùn)作在實(shí)時(shí)嵌入式軟件內(nèi)，其中有許多傳感器可供工程師來(lái)了解其價(jià)值，Micro Python運(yùn)作在一個(gè)Cortex-M4處理器，且其是一個(gè)很好的環(huán)境，以從中為應(yīng)用程序代碼除錯(cuò)。不僅是簡(jiǎn)單的，這里也不需要去寫(xiě)I2C 或SPI驅(qū)動(dòng)程序，因?yàn)樗鼈円驯缓w在Micro Python的函式庫(kù)中。
4、利用傳感器供貨商代碼
任 何可以從傳感器制造商“搜括”到的范例碼，工程師需要走一段很長(zhǎng)的路才能了解傳感器如何工作的原理。不幸的是，許多傳感器供貨商并非嵌入式軟件設(shè)計(jì)的專(zhuān)家，因此不要期待可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)可投入生產(chǎn)的漂亮架構(gòu)和優(yōu)雅的例子。就使用供貨商代碼，學(xué)習(xí)這部分如何運(yùn)作，之后重構(gòu)的挫折感將出現(xiàn)，直到它可以被干凈利索地整合到嵌入式軟件。它可能如“意大利面條般（spaghetTI）”開(kāi)始，但利用制造商對(duì)其傳感器如何運(yùn)作的理解，在產(chǎn)品推出之前，將有助于減少許多得 被毀掉的周末時(shí)間。
5、使用一個(gè)傳感器融合函式庫(kù)
機(jī)會(huì)是，傳感器的傳輸接口并不是太新，且先前沒(méi)有人這么做過(guò)。已知的所有函式庫(kù)，如由許多芯片制造商提供的“傳感器融合函式庫(kù)”，以協(xié)助開(kāi)發(fā)人員快速掌握、 甚至更好，更可避免他們陷入重新開(kāi)發(fā)或大幅修改產(chǎn)品架構(gòu)的輪回。許多傳感器可以被整合至一般類(lèi)型或類(lèi)別，而這些類(lèi)型或類(lèi)別將使驅(qū)動(dòng)程序順利被開(kāi)發(fā)，若處理得當(dāng)，幾乎是普遍或是少可重復(fù)使用。尋找這些傳感器融合函式庫(kù)，并學(xué)習(xí)它們的優(yōu)點(diǎn)和短處。
感測(cè)器被整合至嵌入式系統(tǒng)時(shí)，有許多方式可以幫助提高設(shè)計(jì)時(shí)程和易用性。開(kāi)發(fā)者在開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)，透過(guò)一個(gè)高層次抽象概念，以及在把傳感器整合進(jìn)一個(gè)較低等級(jí)的 系統(tǒng)之前，學(xué)習(xí)傳感器如何運(yùn)作，就絕對(duì)不會(huì)“走錯(cuò)路”。今天存在的眾多資源將可協(xié)助開(kāi)發(fā)人員“旗開(kāi)得勝”，而無(wú)須從頭開(kāi)始。
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