智能传感器信号处理分析

高解析ADC和DAC

传感器一般用于测量温度、压力和光等物理特性。因此，须要使用速度和分辨率足够高的内建ADC，才能测量输入量的微小且快速的变化。对于大多数系统而言，输入分辨率低于12位的ADC可能不够用，非线性误差大于一个最低有效位的ADC也不行。

此外，为测量不同类型参数而采用多种传感器的任何应用，都要求ADC支持多种采样、转换和触发选项。DSC通常包含多个模拟输入频道(因而能够与多个变换器相连接)、灵活的采样/转换选项(如自动在多个输入之间切换以实现连续采样)，以及测量差动输入的功能等。为了减少读取转换后的采样所产生的开销，DSC提供了数据格式可配置(例如整数/分数或有符号/无符号)的大内存映像ADC缓冲区。

内建数字模拟转换器(DAC)模块将数字数据(通常来自对传感器数据的实时分析)转换成可用于驱动外接设备(如制动器)的模拟讯号。尤其是在DAC支持如16位高分辨率的情况下，DAC输出可以被送入扬声器，用于播放语音形式的系统使用说明或系统状态。

高速输入捕捉和输出比较

在某些传感器应用中，控制器可能会仅为了响应特定事件而读取来自传感器变换器的输入。为了尽可能地降低功耗，控制器可能须要在检测到某种脉冲或讯号前保持休眠状态。DSC具有低功耗工作模式，在该模式下只有内部低功耗振荡器处于活动状态。此后，可透过「输入捕捉」接脚上的控制脉冲或事件唤醒DSC，此时会触发资料收集或计算。「输入捕捉」频道还可用于获取特定事件的时间戳记。

DSC设备上除了有「输入捕捉」频道外，还有多个「输出比较」频道。「输出比较」模块基本上用于从通用内建定时器触发输出接脚状态转换来产生所需波形，其通常具有脉冲宽度调变(Pulse Width Modulation, PWM)功能。

「输出比较」讯号在传感器应用中有很多用途。例如，PWM讯号可用于基本的电机控制。语音录音通常以压缩形式储存在内建闪存中并实时进行解压缩，其可以转换成PWM波形的工作周期，然后透过外接低通滤波器电路，从扬声器播放出来。

I/O位准变化通知功能

在许多情况下，传感器应用中的控制器可能需要根据某些通用I/O接脚的状态变化来切换工作模式或产生警报。DSC可以透过产生中断快速响应此状态变化。

通讯周边不可或缺

由于基于传感器的系统的空间分布越来越广，数量越来越多，控制器须要透过某种通讯总线或网络进行数据通讯。

在一些应用中，为了记录或以图表显示从传感器获取的资料，控制器可能必须透过标准协议如RS-232和RS485发送数据到个人计算机(PC)或逻辑分析器。控制器偶尔也可能选择使用外接调制解调器透过电话线发送数据。

为此，DSC芯片提供16位可寻址通用异步收发器(UART)接口。在某些情况下，甚至可能在处理器内的软件中实现调制解调器通讯协议--分时多任务(Time-Division-Multiplexed, TDM)串行通讯接口或转码器接口有利于与调制解调器前端芯片组的通讯。

另一方面，某些周边使用I2C协议进行通讯。例如，凭借I2C，DSC可以使用外接串行EEPROM来储存和存取HTML网页，以直观监测和控制传感器次系统的运行。在基于因特网的系统中，应用软件中可能须要包含低成本的TCP/IP软件协议，并且可以使用透过16位串行周边接口(SPI)与DSC进行通讯的以太网络收发器芯片实现透过以太网络连接的通讯。

DSC的内建SPI频道还有其它常见用途。例如，可能须要使用外接数字电位计或可程序化增益放大器，来动态调节一个或多个传感器的增益。位置互相靠近的不同传感器次系统间，可能经常需要同时开展通讯。为了应对这种情况，DSC设备通常包含一个或多个16位SPI。

讨论通讯接口和周边时，若不提及功能稳健且灵活的控制局域网络(Controller Area Network, CAN)协议，那么该讨论肯定不完整。CAN协议是汽车应用(工业和医疗应用中也越来越多)中网络次系统的事实标准，也是其它应用领域中的一种新兴技术。

请注意，这些应用领域中广泛采用智能传感器讯号处理次系统。包含多个内建CAN通讯接口的DSC设备，尤其是带有支持数据过滤和缓冲的精密硬件的DSC设备，非常适用于网络传感器处理。
感测实例应用说明

接着说明几个基于传感器的系统的范例，在这些范例中，DSC提供理想的架构解决方案。这里并未逐一罗列所有的情况，仅为说明DSC在传感器应用中应用广泛而已。

温度量测运算 DSC效益显著

在传感器测量的各种物理量中，温度测量可能最为常见。在工业设备、化工厂、暖气、通风与空调(Ventilation and Air Conditioning, HVAC)系统、计算机安装和电池管理系统等众多系统中，温度测量是极其重要的一个方面。若要根据所测量的电阻准确计算温度如使用电阻式温度检测器或热敏电阻，须要进行对数计算和除法，在此过程中，DSC的DSP功能将非常有效。在某些配置中，须要差动ADC输入。

将热电偶用作温度传感器时，所产生的电压很小，因而容易受到寄生结效应的干扰。在使用P-N结(硅)传感器的情况下，所产生的电压将随设备的不同而有所变化，难以进行准确的测量。不管是哪一种情况，在内建数据EEPROM或闪存程序内存上储存和存取校准常数的功能，都有助于补偿这种不需要的效应。

类似地，须要对热电偶和红外线(IR)温度检测器所产生的非线性输出进行数学运算，使其线性化。例如，K型热电偶使用下列线性化多项式：
温度=a1×V+a2×V2+a3×V3+…
其中，a1=25132.785，a2=-60883.423…，V =传感器输出电压。

在dsPIC33F DSC上使用两个累加器和DSP指令执行此线性化任务时，计算过程(上述多项式仅计算到第二阶)需要七个运算速度--四个数据传送周期、二个乘法周期以及一个乘减运算周期。透过该公式可以很明显看出，在通用微处理器或微控制器架构上执行此运算会耗费更多时间，这也间接说明了使用DSC的优势。
而且，热电偶的输出电压(即使在放大之后)特别容易受60Hz(或50Hz，具体取决于区域)的电源线路噪声影响。考虑到热电偶输出的变化率较慢，此噪声容易与热电偶输出位于同一频带，并且须要使用中心频率为60Hz的带拒滤波器小心地进行滤波。

FIR和IIR滤波算法均可以在DSC上高效执行，但是IIR滤波器需要的系数一般要少得多，因而需要较少的乘法和加法运算。不过，IIR滤波器具有回馈项，因而会造成一些稳定性方面的难题。幸运的是，数据自动饱和是DSC架构中相当常见的硬件特性，可以尽可能地降低由于溢出造成的数据损坏。图5的频率响应图展示了用于抑制60Hz电源线路讯号的十六阶IIR带拒滤波器(取样速率为1kHz)的频率选择特性。

对于DSP设计经验不甚丰富的系统开发人员而言，设计数字滤波器尤其是IIR滤波器的过程中所涉及之理论和步骤可能相当复杂，对数学功底的要求极高。幸运的是，很多DSC制造商和协力工具厂商都已提供低成本的工具，开发人员只须要在这些工具中指定通带和拒带的转移频率及所需的衰减度即可。这些工具可以计算滤波器系数并产生应用软件可以直接使用的源文件和数据文件。图3展示了四种最常见的数字滤波问题。

除了线性滤波和数字滤波外，应用软件还必须在从热电偶采样的电压中加上从外接温度传感器IC如TC1047A采样的电压，以执行冷结点补偿。此外，很可能须要定期计算ADC转换结果的平均值，具体视所采用的ADC取样速率而定。平均值计算可以透过DSC架构中通常提供的基于累加器的加法和多位移动运算高效完成。