關於傳感器信號校準小知識

關於傳感器信號校準小知識

周碧俊 發表於 2018-07-25 10:02:00

校準是許多傳感器（或變送器）製造過程中的關鍵步驟，例如壓力，溫度和位置傳感器。校準所需的一個關鍵組件是傳感器和校準系統之間的通信接口。該通信接口涉及傳感器和校準系統中的硬體和軟體。通信接口必須能夠同時校準多個傳感器。

在傳感器校準的背景下，減少專門用於支持校準期間通信所需的傳感器引腳數量 - 以及相應的線束或電纜數量 - 是一個好處，因為它可以降低成本和傳感器解決方案硬體尺寸（包括引腳和電線） 。單線通信接口（OWI）通過允許通過一條線進行與設備的通信來提供這些益處。此外，在雙線發射器的情況下，電力線上的OWI提供了更多的益處。

雙線發送器無需額外的引腳，因為數據和電源通過同一線路發送。在本文中，我們將專門討論傳感器校準期間使用的通信接口。此外，我們針對雙線發射器解決OWI問題，重點關注與電力線上的OWI相關的挑戰，並提出克服這些挑戰的解決方案。

傳感器信號調節器的校準

校準傳感器信號調節器是傳感器或變送器製造過程中的關鍵步驟。圖1顯示了傳感器和校準系統的框圖。該框圖顯示傳感器具有兩個主要部件：1）感測元件，其將感興趣的物理量轉換為電信號; 2）傳感器信號調節器，使用數學算法處理傳感元件。該框圖還顯示了「校準系統」。校準系統安裝在最終傳感器生產線中，是用於校準傳感器的硬體和軟體的集合。在本文中，我們使用術語傳感器和發射器可互換，因為它們意味著相同的終端設備。

圖1：傳感器和校準系統的框圖

感測元件通常具有非理想性，例如偏移，非線性和增益誤差。在傳感器信號調節器中實現的數學算法用於校正這些非理想性。校準傳感器是確定數學算法的參數或係數的過程。在校準過程中，校準系統從傳感器信號調節器收集數據並確定係數。然後校準系統將算法參數傳送到傳感器信號調節器。如參考文獻［3］所示，校準通常是一個兩步過程，根據傳感器所需的最終精度，它可能非常耗時 - 特別是如果包括溫度校準。

無論傳感器的最終精度如何，校準系統都必須從傳感器信號調節器接收數據並將數據傳輸到傳感器信號調節器。這些數據包括［3］：

後端數據

前端數據

傳感器信號調理器配置和算法參數

該校準系統將數據傳輸到傳感器信號調節器，並從傳感器信號調節器中的寄存器接收數據。根據系統的最終精度目標，在多個溫度點收集後端和前端數據。例如，對於用於校準的每個溫度重複步驟「a」和「b」。注意，係數和配置設置通常存儲在傳感器信號調節器中的非易失性存儲器中，例如EEPROM。

用於校準的通信接口

校準系統可以使用傳感器信號調節器支持的通信接口與傳感器信號調節器通信。一些常用的通信接口是：

串行外設接口（SPI）

內部集成電路（I2C）

通用異步接收器/發送器（UART）

單線接口（OWI）

上述每個接口都為校準過程提供了自己的優點和缺點。例如，SPI需要四條線：MISO，MOSI，CSN和SCLK。圖2顯示了基於SPI通信接口的校準系統的框圖。該圖顯示除VDD，GND和SIGNAL OUT引腳外，每個傳感器還需要四個專用引腳進行通信。這聽起來可能不是一個缺點，但從大量生產傳感器信號調節器的角度來看，校準硬體需要更大，更昂貴和複雜。此外，傳感器成本也會更高，因為每個傳感器都需要專用引腳，僅用於校準期間的通信。

圖2：多器件校準系統中的SPI通信

I 2 C和UART接口都需要兩條線路進行通信。雖然這聽起來可能比SPI好，但每個仍然需要傳感器在校準期間具有用於通信的專用引腳。

因此，OWI提供了更好的校準混合信號傳感調節器的替代方案，因為它只需要一條線路進行通信。此外，OWI over power line增強了這種「單線功能」，因為通過電源線進行通信，消除了雙線，四個20 mA發送器中的一個引腳和線路。

單線接口

OWI背後的主要原則是主設備和從設備之間的通信發生在一條線路上，而I 2 C，SPI或UART接口需要兩條或更多條線路進行通信。OWI上的通信是半雙工雙向的，時序接口通常與UART非常相似。

在一些設備中，OWI通信通過信號引腳進行，其中數據從主設備發送和接收。由於這是一個信號引腳，因此這種器件的信號電平可以達到0 V. 在其他器件中，OWI通信通過VDD引腳進行。因此，信號電平必須大於建議的最小電源電壓VDD MIN。此外，由於通信通過VDD引腳，因此OWI線必須為器件提供正常工作的電流。圖3顯示了使用信號引腳的OWI通信，而圖4顯示了使用電源引腳的OWI通信。

圖3：具有OWI信號引腳的器件中的OWI通信。

圖4：具有OWI over power line的設備中的OWI通信。

OWI超過電源引腳的挑戰

在電源引腳上實現OWI的主要挑戰是在發送或接收數據傳輸時接收電源。這可能導致各種挑戰。

權力和數據

如前所述，OWI通信通過電源引腳進行的事實意味著必須向器件提供電流。請注意，電壓電平不應低於器件的最低建議工作電壓。基於這些約束，功率放大器為該問題提供了可能的解決方案。然而，使用放大器意味著其他考慮因素，例如放大器穩定性。

由於放大器驅動器件的VDD引腳，它還驅動VDD引腳去耦電容。這意味著，根據電容值和使用的放大器，您需要考慮輸出放大器的穩定性。放大器的輸出穩定性通過使用標準技術實現，例如使用隔離電阻或補償電容。為了避免VDD引腳上的紋波或振蕩，放大器必須在指定OWI的整個波特率範圍內保持穩定。

電壓下降

由於電源線上的OWI為器件提供電流，因此任何與VDD引腳串聯的電阻或元件（如二極體）都可能產生不希望的電壓降。這些組件通常用作設備的保護電路的一部分。圖5顯示了該保護電路的位置。

圖5：通過電源線進行OWI通信時可能出現的電壓降。

這些電壓降導致VDD引腳的電壓低於為OWI接口指定的電壓。因此，如果電壓降太大，OWI通信將無法工作或設備將斷電。公式1顯示了器件的電壓V SIG_COND，它們是這些電壓降的函數。V OWI是校準系統在特定設備的指定OWI電壓電平下發送的信號。

OWI超過電源引腳解決方案

圖6顯示了通過電力線實現OWI的解決方案，克服了我們之前提到的挑戰。該解決方案背後的理論是使用求和放大器來「累加」信號路徑中的所有電壓降。這些電壓降在理想電壓電平下加到基本OWI信號上。結果，即使在沿著電力線的所有可能的電壓下降之後，傳感器信號調節器的VDD引腳處的電壓電平也變為期望的OWI電壓電平。公式2顯示了電壓相加後器件的電壓V SIG_COND。

圖6：解決所討論挑戰的OWI over power line實現。

這種在電源線上實現OWI的可能解決方案允許邏輯電平在校準系統側自我調整，只要已知沿電源線的電阻和恆定電壓降。這通常是這種情況，因為這些組件是客戶實施的固定保護電路的一部分。此外，如果電源線中沒有恆定的電壓降或電阻，則可以將這兩個元件設置為0，而不會影響理想的OWI電壓電平。

在此解決方案中，我們通過電源引腳解決OWI通信的挑戰：

功率放大器為器件提供電源，並以求和放大器配置傳輸數據。

將電壓添加到理想的OWI電壓電平可抵消電壓降，從而在器件的VDD引腳上產生OWI規定的電壓電平。使用傳感器信號調節器的特定設計將確定需要添加到OWI信號的恆定電壓和IR降。

概要

在本文中，我們討論了傳感器信號調節器的校準，並比較了用於此校準過程的不同通信接口。我們概述了OWI優於其他接口的優勢以及OWI通信背後的主要原則。最後，我們解決了OWI通信在電力線上的挑戰，並提出了克服這些挑戰的解決方案。

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