作者：Mark Looney ADI公司 簡介 對于那些為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域開發(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，噪聲常常是一個重要的評估因素，因為它能制約智能傳感器中關(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，而這又會影響傳感器對條件快速變化的響應(yīng)能力，延長產(chǎn)生高質(zhì)量測量結(jié)果所需的時間。在支持連續(xù)觀測（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立的關(guān)系，因為噪聲最低的解決方案很少正好也是功耗最低的解決方案（就特定功能類別的器件而言）。例如，MEMS加速度計常常用作遠(yuǎn)程傾斜測量系統(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. MEMS加速度計比較 表1包括四行，其中三行對應(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)觀測的應(yīng)用中，平均功耗與噪聲的關(guān)系變得更有意義。或許令人難以置信，但噪聲和功耗的關(guān)系甚至可能變成互補(bǔ)式。這對開發(fā)人員來說無疑是個好消息。因為在之前的設(shè)計中，開發(fā)人員可能因難以確定該讓功耗還是性能主導(dǎo)其設(shè)計而延誤了時機(jī)。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(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，首先需要對信號鏈做一些假設(shè)，因此可以從概念架構(gòu)開始。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。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（如ADXL355）的比例因子用LSB/g或碼數(shù)/g來表示。 濾波器 信號鏈（圖1）的下一個功能模塊是濾波器。這一級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(jī)振動與可能指示機(jī)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(zhǔn) 校準(zhǔn)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(yán)格受控條件下進(jìn)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(zhǔn)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(biāo)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）： 方程1中的校正系數(shù)用于處理偏置、靈敏度和對準(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)（參見ADIS16228）。在傾斜檢測應(yīng)用中，智能傳感器會利用方程2、方程3或方程4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 電源管理(PM)功能對典型智能傳感器有三個作用。第一個作用是管理信號鏈中所有器件的上電時序要求。第二個作用是將電源供應(yīng)轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾妷簛碇С中盘栨溨兴衅骷淖顑?yōu)運行。最后一個作用是在以一定時間間隔進(jìn)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. 基本周期供電圖 方程5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?fàn)顟B(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 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和方程6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(zhǔn)備好支持?jǐn)?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(zhǔn)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(jìn)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。 建立時間影響