在不需要連續(xù)觀測的應用中,，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式,。這對工程師來說無疑是個好消息,。因為在之前的設(shè)計中，工程師可能因難以確定該讓功耗還是性能主導其設(shè)計而延誤了時機,。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)選項進行量化;這一做法將重新定義架構(gòu)師的工作,。
組成智能傳感器架構(gòu)的5個部分,，你都造嗎?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。
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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與其監(jiān)控的物理屬性或條件的線性關(guān)系,。
濾波器
濾波器的作用是降低核心傳感器可能支持,，但與應用無關(guān)的頻段中的噪聲。在振動監(jiān)控應用中,，這可能是一個帶通濾波器,，它將隨機振動與可能指示機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
校準功能的作用是通過應用校正公式來提高測量精度。在要求極高的應用中,，通常是在嚴格受控條件下進行測量,，通過直接觀測傳感器響應來獲得此類校正公式。例如在傾斜傳感器應用中,，校準過程涉及到觀測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是觀測傳感器對足夠多取向的響應，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)：
數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)處理功能用于將校準且濾波的傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適當?shù)臏y量結(jié)果以對應用提供最佳支持。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),。在傾斜檢測應用中,，智能傳感器會利用如下將傳感器對重力的加速度響應轉(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,，你必須知道的那點事兒電源管理(PM)功能對典型智能傳感器有三個作用——
1)管理信號鏈中所有器件的上電時序要求,。
2)將電源供應轉(zhuǎn)換成適當?shù)碾妷簛碇С中盘栨溨兴衅骷淖顑?yōu)運行。
3)在以一定時間間隔進行測量的系統(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：基本供電周期圖
下方程提供了一個利用圖3所示運行特性來估算平均功耗(PAV)的簡單關(guān)系式,。
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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狀態(tài)(睡眠模式或完全關(guān)斷)的時間。
T為平均測量周期時間,。
測量過程必須得清清楚楚噠
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和下方公式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備好支持數(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。這可能包括應用校準公式,、專門的信號處理以及根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)安全協(xié)議進行數(shù)據(jù)加密的時間,。
tC 是通信時間，代表連接云服務,、發(fā)送加密數(shù)據(jù)以及支持差錯校驗或身份驗證服務所需的時間,。
如何降低建立時間影響，follow me~根據(jù)測量周期的階段劃分(圖4),，很明顯,，在濾波器建立時間這一段中，噪聲可能會影響周期供電的智能傳感器節(jié)點的功耗,。一般而言,，來自均值操作的噪聲幅度的降低量與均值時間的平方根成比例，而能耗的增加量與均值時間是直接比例關(guān)系,。因此,，噪聲幅度降低10倍會引起能耗(濾波建立期間)增加100倍!這種不成比例的權(quán)衡關(guān)系很快會對只需最少濾波(最低噪聲)的傳感器有利。
圖5：微波天線平臺
考慮圖5所示的微波天線平臺,，其?？吭谝粋€塔式平臺上。在此類通信系統(tǒng)中,，數(shù)據(jù)鏈路的可靠性取決于指向角的精度,。為了維持指向角，可能需要手動調(diào)整,，特別是地震或其他原因擾動了天線所?？康钠脚_之后。此類遠程維護的成本高昂,，而且不及時響應,，因此，作為維護響應策略的一部分,，一家天線運營商正研究利用MEMS加速度計監(jiān)控天線方向變化的可行性,。
工程師們根據(jù)最基本的功能要求開始了此次調(diào)研：維持各天線平臺的可靠通信。該系統(tǒng)中,，可靠的數(shù)據(jù)通信要求天線指向角始終位于天線的半功率波束寬度(HPBW,，參見圖5)以內(nèi)。因此,，他們決定：如果天線在短時間內(nèi)的方向變化達到天線HPBW的25%,，那么就觸發(fā)一次實地維護需求。
在支持此目標的誤差預算內(nèi),，架構(gòu)師允許傾斜測量的峰值噪聲為測量目標(HPBW的25%)的10%,。為簡明起見，架構(gòu)師還指定噪聲峰值等于噪聲均方根(rms)值的3倍。方程7反映了所有這些限定條件,，并將其簡化為一個關(guān)系式,，即傾斜測量中的噪聲必須小于HPBW/120。