傳感器是用于偵測、監(jiān)控和響應溫度、壓力、濕度和運動等物理參量的設備。它們是許多實際工作系統(tǒng)不可或缺的零組件，在工業(yè)、消費、汽車、醫(yī)療和軍事方面應用非常廣泛。在過去，從傳感器獲得的數(shù)據(jù)被直接發(fā)送至中央控制單元，然后中央控制單元可能會使用外掛的硬件組件或數(shù)字邏輯對傳感器數(shù)據(jù)執(zhí)行后制或顯示。

隨著8位微控制器(MCU)等嵌入式處理器解決方案的出現(xiàn)，將固定的中央硬件替換為可透過程序執(zhí)行應用所需特定任務的微控制器所帶來的優(yōu)勢愈加明顯。但是，8位微控制器只能提供給計算密集度不大的系統(tǒng)做一些基本處理任務。

為此，智能傳感器訊號處理的需求逐漸浮現(xiàn)，而其具備的條件包括以下幾項：

傳感器訊號融合

傳感器應用復雜度的急速提升，使得將更強大的智能嵌入至傳感器接口變得勢在必行。很多應用均采用多個傳感器來獲取各種測量數(shù)據(jù)，并且運用十分先進的方法對數(shù)據(jù)進行處理。

在某些情況下，必須同時處理來自多種傳感器的訊號，因而須利用同一個微控制器，這種情況可以稱為「傳感器訊號融合」。每種類型的傳感器都有各自的訊號特性，并且須要透過不同的后制從中提取有用的信息，這會增加中央處理器(CPU)的運算量和周邊數(shù)據(jù)處理量。

容錯技術需求大增

對于處理器而言，監(jiān)控傳感器訊號和偵測可能引起系統(tǒng)完全故障的錯誤也非常有用。檢測出錯誤情況后，可完全關閉系統(tǒng)或切換到多余備分傳感器。如果在錯誤檢測流程中再加入一個步驟，就可以在故障實際發(fā)生前對其進行預測，這將大大簡化現(xiàn)場硬件維護和保養(yǎng)。

此類容錯算法和技術可能會相當復雜，需要更高的運算能力、更大的內(nèi)存以及容易與更豐富的周邊功能，因此有必要升級到16位微控制器。

分布式處理

在許多應用中，傳感器實際分散在較廣的區(qū)域內(nèi)，如分散在大型建筑或工廠內(nèi)，或分散在汽車的不同零件內(nèi)。對于這樣的分布式系統(tǒng)來說，集中式處理/控制方法往往被證實無效，或者在最佳情況下仍然效能不彰。

要減輕中央控制單元在處理和數(shù)據(jù)儲存方面的壓力，最好將處理能力分散到多個靠近的傳感器，或者甚至與傳感器整合的微控制器上。但是這種分布式傳感器處理方法需要各種強大的訊號轉(zhuǎn)換和通訊周邊。

剖析智能傳感器處理訊號鏈

傳感器訊號處理包括各式各樣的嵌入式應用，但可以概括地定義代表傳感器處理系統(tǒng)特點的通用訊號鏈。傳感器應用的主要組件是感測組件(也稱為轉(zhuǎn)換器)、訊號調(diào)整電路(多數(shù)是模擬電路組件)，以及嵌入式微處理器(在某些情況下是簡單硬件電路的數(shù)字邏輯電路或ASIC)(圖1)。

感測組件種類多樣

感測組件(實際上就是「傳感器」)是用于將關注的物理參量轉(zhuǎn)換成某種電子訊號的裝置。智能傳感器處理應用經(jīng)常使用多個感測組件，它們屬于同一類型，如空調(diào)系統(tǒng)中的多個熱敏電阻，或者屬于不同類型，例如一臺工業(yè)機械設備中的熱電偶和一氧化碳探測器。每種類型的傳感器都有自己的一套訊號調(diào)整和數(shù)據(jù)后制要求，可以根據(jù)所測量的物理參量對感測組件進行廣義分類，例如溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、氣體/化學傳感器、聲音/超音波傳感器、位置/運動傳感器、加速計、圖像傳感器、光傳感器。

也可以根據(jù)傳感器輸出的電子訊號的類型對傳感器進行分類。概括而言，共有四種常見的傳感器類型：

電壓傳感器

產(chǎn)生隨感興趣的物理量而變化的輸出電壓。

電流傳感器

產(chǎn)生變化的電流。

頻率傳感器

產(chǎn)生電壓波形，該波形的頻率取決于待測量。

數(shù)位傳感器

只根據(jù)輸入?yún)?shù)產(chǎn)生數(shù)字電壓數(shù)據(jù)。在某些情況下，所產(chǎn)生的數(shù)字數(shù)據(jù)只是二進制0/1訊號。此類傳感器的輸出在本質(zhì)上不同于大多數(shù)其它傳感器，后者產(chǎn)生的訊號在模擬范疇變化。

訊號調(diào)整電路設計視傳感器類型而定

簡單地說，訊號調(diào)整電路將感測組件的輸出訊號規(guī)畫到其余電子電路或應用軟件可以處理的范圍內(nèi)。傳感器應用所需的具體訊號調(diào)整電路，取決于所采用的傳感器的類型。例如，某個傳感器根據(jù)所測量的物理參數(shù)大小產(chǎn)生輸出電壓，其需要的訊號調(diào)整能力，可能不同于產(chǎn)生可變電阻的傳感器。從本質(zhì)上說，傳感器應用均有以下共同的訊號調(diào)整要求。

首先，傳感器產(chǎn)生的訊號必須盡量避免混入噪聲。而且，訊號的頻譜(亦即訊號頻寬)必須根據(jù)某些約束條件限制在特定的范圍內(nèi)，因而常常有必要使用一種稱為迭頻消除濾波器的設備。其次，不管是電壓、電流還是頻率，傳感器所產(chǎn)生訊號的振幅通常較小。為了準確處理訊號，讓系統(tǒng)盡量不受噪聲的影響，須要將訊號放大。

除了濾波和放大外，還須使用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)將訊號轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，這增加了訊號調(diào)整要求。除了要放大訊號外，可能還須要對訊號進行轉(zhuǎn)換，使其能適應不同的ADC參考電壓。但是，很多ADC，尤其是微控制器或數(shù)字訊號控制器(DSC)中包含的ADC，僅對單極性輸入有效。換句話說，輸入電壓不能相對地在正負電位之間變換。在這種情況下，就必須使用電壓位準移位器。

顯示出某個具體的傳感器處理應用所需的訊號調(diào)整電路。在本例中，使用一個三運放差動放大器將熱電偶產(chǎn)生的差動輸出電壓放大，然后送入內(nèi)建模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器C的輸入端。與此相似，ADC的另一個輸入，可用于補償熱電偶引線結(jié)點和印刷電路板(PCB)布線交匯處產(chǎn)生的電壓的影響，而且更多用于補償后者。