性能與功耗的關(guān)系;對(duì)于那些正在為新興的基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用空間開發(fā)智能傳感器的人來(lái)說(shuō)，這是最微妙的權(quán)衡之一。在廣泛的性能空間中，噪聲通常是需要評(píng)估的重要屬性，因?yàn)樗鼤?huì)限制智能傳感器中關(guān)鍵功能塊的組件選擇，從而增加功率負(fù)擔(dān)。此外，噪聲行為會(huì)推動(dòng)濾波要求，這會(huì)影響傳感器對(duì)條件快速變化的響應(yīng)能力，并延長(zhǎng)開發(fā)質(zhì)量測(cè)量所需的時(shí)間。

在支持連續(xù)觀察（采樣、處理、通信）的應(yīng)用中，系統(tǒng)架構(gòu)師通常必須處理噪聲和功耗之間的對(duì)抗關(guān)系，因?yàn)樽畹驮肼暯鉀Q方案很少是同時(shí)提供最低功耗的解決方案（在特定功能類別的設(shè)備中）。例如，MEMS加速度計(jì)通常用作遠(yuǎn)程傾斜測(cè)量系統(tǒng)中的核心傳感器。表1列出了目前在噪聲或功耗方面均具有業(yè)界領(lǐng)先性能的兩種不同產(chǎn)品的亮點(diǎn)： ADXL355（低噪聲）和ADXL362（低功耗）。

表1中的四個(gè)條目中的三個(gè)表示ADXL362中的可選工作模式，第四個(gè)條目表示ADXL355的關(guān)鍵指標(biāo)。從這個(gè)交易領(lǐng)域的關(guān)鍵邊界開始，ADXL355的噪聲比ADXL362中最低功耗模式低近27倍，但功耗要高得多。對(duì)于性能要求更具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，可能需要考慮ADXL362的最高性能模式，ADXL355的噪聲將降低9倍，而ADXL362的功耗將降低13倍。

當(dāng)支持不需要連續(xù)觀察和測(cè)量的應(yīng)用時(shí)，平均功耗和噪聲之間的關(guān)系變得更加有趣。噪聲和功耗之間的關(guān)系甚至可以成為互補(bǔ)關(guān)系，這對(duì)某些人來(lái)說(shuō)似乎令人驚訝。對(duì)于一些人來(lái)說(shuō)，這是個(gè)好消息，因?yàn)樯弦淮O(shè)計(jì)可能已被推遲，而開發(fā)人員正在努力確定功率或性能是否應(yīng)該驅(qū)動(dòng)他們的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在，智能傳感器架構(gòu)師不再等待其他人回答同樣的老問題，而是迫切要求通過(guò)量化這個(gè)貿(mào)易領(lǐng)域的相關(guān)選項(xiàng)來(lái)重新定義自己的工作。

智能傳感器架構(gòu)

量化特定應(yīng)用的相關(guān)選項(xiàng)首先要對(duì)信號(hào)鏈進(jìn)行一些假設(shè)，以便從概念架構(gòu)開始。圖1提供了包含最常見功能的智能傳感器架構(gòu)的通用示例。

圖1.智能傳感器架構(gòu)。

傳感器核心

智能傳感器節(jié)點(diǎn)中的信號(hào)鏈從核心傳感器功能開始。在其最基本的形式中，核心傳感器也稱為換能器，它將物理?xiàng)l件或?qū)傩赞D(zhuǎn)換為具有代表性的電信號(hào)。傳感器的比例因子描述了其對(duì)所監(jiān)測(cè)的物理特性或條件的電響應(yīng)的線性部分。例如，具有模擬輸出的溫度傳感器（如AD590）將提供以mV/°C為單位的比例因子。 數(shù)字加速度計(jì)（如ADXL355）將以LSB/g或代碼/g為單位提供其比例因子。

濾波器

信號(hào)鏈中的下一個(gè)功能模塊（圖1）是濾波器。此階段的目的是降低核心傳感器可能支持但在應(yīng)用中無(wú)關(guān)的頻段的噪聲。在振動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，這可能是一個(gè)帶通濾波器，它將隨機(jī)振動(dòng)與特定的光譜特征分開，該特征可以指示機(jī)器健康狀況的惡化。在傾斜傳感器中，這可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的低通濾波器，例如運(yùn)行平均值。在這種情況下，時(shí)間長(zhǎng)度在建立時(shí)間和濾波器輸出中的殘余噪聲之間是一個(gè)重要的權(quán)衡。圖2提供了ADXL355的艾倫方差曲線示例，該曲線顯示了測(cè)量的不確定性（噪聲）相對(duì)于產(chǎn)生該測(cè)量的平均時(shí)間。

圖2.艾倫方差曲線：ADXL355 和 ADXL362。

校準(zhǔn)

校準(zhǔn)功能的目的是通過(guò)應(yīng)用校正公式來(lái)提高測(cè)量精度。在最苛刻的應(yīng)用中，這些校正公式通常來(lái)自對(duì)傳感器響應(yīng)的直接觀察，同時(shí)測(cè)量嚴(yán)格控制的條件。例如，在傾斜傳感器應(yīng)用中，校準(zhǔn)過(guò)程將涉及觀察MEMS加速度計(jì)相對(duì)于重力的幾個(gè)不同方向的輸出。這些觀測(cè)的總體目標(biāo)是觀察傳感器對(duì)足夠方向的響應(yīng)，以解決所有12個(gè)校正因子（m11， m12， m13， m21， m22， m23， m31， m32， m33- Cx- Cy- Cz） 在以下關(guān)系中（參見公式 1）：

公式1中的校正因子解決了偏置、靈敏度和對(duì)準(zhǔn)誤差。該公式還可以擴(kuò)展，以考慮高階傳感器行為（非線性）或環(huán)境依賴性（溫度、電源電平）。

數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理功能將校準(zhǔn)和過(guò)濾的傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為最能支持應(yīng)用的測(cè)量結(jié)果。在振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中，這可以是簡(jiǎn)單的均方根直流對(duì)話，也可以是帶有頻譜報(bào)警的快速傅里葉變換（FFT）（參見ADIS16228）。在傾斜傳感應(yīng)用中，智能傳感器將使用公式2、公式3或公式4將基于加速度的重力響應(yīng)轉(zhuǎn)換為方向角估計(jì)值。

這三個(gè)關(guān)系分別表示一個(gè)、兩個(gè)和三個(gè)加速度計(jì)測(cè)量的傾斜估計(jì)，假設(shè)每個(gè)加速度計(jì)之間完全正交。

通信/存儲(chǔ)

通信/存儲(chǔ)功能支持?jǐn)?shù)據(jù)暫存和與所有物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)（加密/安全、存儲(chǔ)和分析）的連接。

電源循環(huán)操作

電源管理（PM）功能為典型的智能傳感器提供三種不同的功能。PM的第一個(gè)功能是管理信號(hào)鏈中所有組件的所有電源排序要求。PM的第二個(gè)功能是將來(lái)自能源的電源轉(zhuǎn)換為電壓，以支持信號(hào)鏈中所有組件的最佳操作。最后，在具有定期測(cè)量間隔的系統(tǒng)中，PM系統(tǒng)提供調(diào)度來(lái)觸發(fā)每個(gè)測(cè)量事件。

電源循環(huán)是在智能傳感器節(jié)點(diǎn)中識(shí)別此類不連續(xù)操作的常用方法。通過(guò)在測(cè)量事件之間處于低功耗（或零功率）狀態(tài)，該技術(shù)有助于節(jié)省智能傳感器的能量。圖3顯示了利用該技術(shù)的智能傳感器在整個(gè)測(cè)量周期內(nèi)的瞬時(shí)功耗。

圖3.基本電源循環(huán)圖。

公式5提供了使用圖3中的工作屬性估算平均功耗（PAV）的簡(jiǎn)單關(guān)系。

P上是智能傳感器節(jié)點(diǎn)在采樣和處理數(shù)據(jù)以產(chǎn)生和通信相關(guān)測(cè)量結(jié)果時(shí)的平均功耗。

P關(guān)閉是智能傳感器節(jié)點(diǎn)支持其低功耗休眠模式所需的平均功耗。

t上是智能傳感器打開、生成測(cè)量結(jié)果、將該結(jié)果傳達(dá)給物聯(lián)網(wǎng)云并重新關(guān)閉所需的時(shí)間。

t關(guān)閉是智能傳感器處于休眠狀態(tài)（睡眠模式或完全關(guān)閉電源）的時(shí)間。

T 是平均測(cè)量周期時(shí)間。

測(cè)量過(guò)程

在其準(zhǔn)時(shí)（t上），智能傳感器通常會(huì)經(jīng)歷幾種不同的操作狀態(tài)。圖4和公式6提供了一個(gè)示例序列，將導(dǎo)通時(shí)間分為四個(gè)不同的部分：初始化、建立、處理和通信。

圖4.智能傳感器測(cè)量周期順序。

t我為初始化時(shí)間，表示通電之間的時(shí)間（VSP），以及信號(hào)鏈中每個(gè)組件準(zhǔn)備好支持?jǐn)?shù)據(jù)采樣和處理的時(shí)間。

tS是建立時(shí)間，表示第一個(gè)數(shù)據(jù)樣本與濾波器輸出時(shí)間（V唰唰??） 已穩(wěn)定到足夠的準(zhǔn)確性水平。

tP是處理時(shí)間，表示濾波器穩(wěn)定后產(chǎn)生測(cè)量結(jié)果所需的時(shí)間。這可以包括校準(zhǔn)公式的應(yīng)用、特定于應(yīng)用的信號(hào)處理以及物聯(lián)網(wǎng)安全協(xié)議的數(shù)據(jù)加密。

tC是通信時(shí)間，表示連接云服務(wù)、傳輸加密數(shù)據(jù)以及支持任何錯(cuò)誤檢查或身份驗(yàn)證服務(wù)所需的時(shí)間。

穩(wěn)定時(shí)間影響

使用測(cè)量周期中不同相位的分段（圖 4），濾波器的建立時(shí)間是一個(gè)明顯的區(qū)域，噪聲會(huì)影響功率循環(huán)智能傳感器節(jié)點(diǎn)中的功耗。通常，平均產(chǎn)生的噪聲幅度的降低與平均時(shí)間的平方根成正比，而能耗的增加與平均時(shí)間成正比。因此，將噪聲幅度降低10倍將導(dǎo)致能耗（在濾波器建立期間）增加100倍！這種不成比例的權(quán)衡可以迅速有利于需要最少濾波量（最低噪聲）的傳感器。

應(yīng)用示例

考慮圖5中的微波天線平臺(tái)，它位于塔式平臺(tái)上。在這種類型的通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)鏈路的可靠性取決于指向角度的精度。保持指向角度可能需要手動(dòng)調(diào)整，尤其是在地震和這些天線所在的平臺(tái)受到其他干擾之后。由于這種類型的遠(yuǎn)程維護(hù)成本高昂且響應(yīng)時(shí)間有限，一家天線運(yùn)營(yíng)商正在研究使用MEMS加速度計(jì)監(jiān)測(cè)天線主體方向變化的可行性，作為其維護(hù)響應(yīng)策略的一部分。

圖5.微波天線平臺(tái)。

系統(tǒng)架構(gòu)師從他們最基本的功能要求開始這項(xiàng)調(diào)查：在每個(gè)天線平臺(tái)上保持可靠的通信。在該系統(tǒng)中，可靠的數(shù)據(jù)通信要求天線的指向角度必須始終保持在天線的半功率波束寬度（HPBW，見圖5）內(nèi)。因此，他們確定，當(dāng)天線的方向在短時(shí)間內(nèi)改變天線HPBW的25%時(shí)，他們希望觸發(fā)維護(hù)訪問。

在支持此目標(biāo)的誤差預(yù)算內(nèi)，架構(gòu)師允許傾斜測(cè)量中的峰值噪聲為測(cè)量目標(biāo)的10%（HPBW的25%）。為簡(jiǎn)單起見，架構(gòu)師還指定噪聲的峰值等于噪聲均方根（rms）值的三倍。公式7捕獲了所有這些定義輸入，并將其簡(jiǎn)化為一個(gè)關(guān)系，簡(jiǎn)單地說(shuō)，傾斜測(cè)量中的噪聲需要比HPBW低120倍。

為了將這種角度噪聲要求與MEMS加速度計(jì)中的相同性能指標(biāo)相關(guān)聯(lián)，公式8來(lái)自將公式7的結(jié)果代入公式2中的基本加速度計(jì)傾斜公式。

因此，對(duì)于HPBW為0.7°的天線，加速度計(jì)中的噪聲必須小于100 μg，才能滿足現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)。

該結(jié)果建立了一個(gè)指標(biāo)，用于確定每個(gè)候選傳感器（來(lái)自表1）所需的平均時(shí)間量，以便在測(cè)量中實(shí)現(xiàn)100 μg的不確定度。查看圖2顯示，ADXL355需要~0.01秒的平均時(shí)間（tS355系列= 0.01，參見公式 10）以低于此水平。

為了快速近似，可以假設(shè)ADXL362的噪聲是ADXL355的9倍，因此需要的平均時(shí)間為ADXL355的81倍（tS362系列= 81 x tS355系列，參見等式11），以達(dá)到相同的目標(biāo)。公式10捕獲了ADXL355建立時(shí)間產(chǎn)生的能耗，公式11捕獲了ADXL362建立時(shí)間產(chǎn)生的能耗（見表1）。

具有諷刺意味的是，這種噪聲性能水平的最低能耗來(lái)自使用最低噪聲加速度計(jì)，而不是最低功耗加速度計(jì)。公式12將公式10和公式11中每個(gè)傳感器的能量估計(jì)值除以測(cè)量間隔（T = 10秒），以估算建立時(shí)間對(duì)功耗的貢獻(xiàn)。

結(jié)論

這個(gè)特殊的討論揭示了一個(gè)特定的場(chǎng)景，其中最低功耗的解決方案來(lái)自使用噪聲最低的核心傳感器，而不是提供最低功耗的傳感器。對(duì)于那些正在為新興物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)智能傳感器概念的人來(lái)說(shuō)，這些應(yīng)用具有苛刻的性能要求和有限的能源獲取，這種類型的解決方案路徑可以提供重要的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。從本質(zhì)上講，對(duì)于那些愿意首先理解，然后挑戰(zhàn)最基本的范式的人來(lái)說(shuō)，聰明的解決方案可能是可用的。有時(shí)，最佳性能和最低功耗實(shí)際上可能來(lái)自同一傳感器。

審核編輯：郭婷