智能传感器信号处理(上)

　　摘要：阐述了智能传感器信号处理的特点、种类，及DSC和智能传感器的典型应用——温度传感器及指纹识别方案。

　　关键词：智能传感器;处理;DSC;温度传感器;指纹识别

　　智能传感器信号处理的概念

　　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，从传感器获取的数据被直接发送到中央单元，然后中央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(MCU)等嵌入式处理器解决方案的出现，将程序固定的中央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。很多应用均采用多个传感器来获取各种测量数据，并且采用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CPU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。如果在错误检测流程中再加入一个步骤，就可以在故障实际发生之前对其进行预测，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/控制方法往往被证实无效，或者在最佳情况下仍然低效。要减轻中央控制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，在某些情况下是简单硬连线的数字逻辑电路或专用IC，即ASIC)。

　　传感元件

　　传感元件(实际上就是“传感器”的意思)是用于将感兴趣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)，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。

　　可以根据所测量的物理参数对传感元件进行广义分类。例如：温度传感器，压力传感器，流量传感器，气体/化学传感器，声音/超声波传感器，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

　　简单地说，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用的传感器的类型。例如，某个传感器根据所测量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避免混入噪声。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。因而常常有必要使用一种称为防混叠滤波器的器件。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。为了准确处理信号，使系统尽量不受噪声的影响，需要将信号放大。