傳感器接口初學者指南：保護微控制器

在大多數(shù)情況下，您確實應該考慮在傳感器和計算平臺之間設置某種形式的輸入保護。

在我的“傳感器接口初學者指南（第 1 部分） ”專欄中，我概述了您可能需要連接傳感器的三種主要系統(tǒng)類型：

直接連接到 MCU（微控制器）：直接連接到引腳（外部）和寄存器（內部）

單板計算機 (SBC)：具有操作系統(tǒng)的更強大的處理器

Arduino 和類 Arduino 系統(tǒng)：具有一組標準化庫函數(shù)的 MCU，使使用更容易

我們還討論了將傳感器連接到這些系統(tǒng)的三種方法，如下所示：

直接數(shù)字

直接模擬

基于協(xié)議

系統(tǒng)的另一部分通常很少被談論，但同樣重要：傳感器和計算系統(tǒng)之間的連接。

在我們最基本的硬件樂趣嘗試中，我們經(jīng)常直接從傳感器連接到微控制器 I/O 引腳。在理想的無噪音和無靜電世界中，這將是一種合理的方法。

在此圖中，我們擁有所有三種基本類型的傳感器：基于協(xié)議的加速度計、直接數(shù)字按鈕開關和模擬電位計。所有這些都直接連接到 Arduino。（來源：杜安·本森）

但是我們不是生活在一個理想的世界中，也不是一個沒有噪音的（任何類型的）世界。傳感器和系統(tǒng)在不同的電壓下運行，我們周圍的空氣充滿了離子和電噪聲，長電線充當天線。

傳感器會帶來重要的環(huán)境數(shù)據(jù)，但它們也會帶來很多不需要的行李。系統(tǒng)中的一個小尖峰和一個未受保護的微控制器——有時是一個非常昂貴的微控制器——可能會被損壞或毀壞?；蛘撸娫肼晻箓鞲衅魇骰驅е缕涮峁┛此坪侠淼耆e誤的數(shù)據(jù)。

基本上，我要說的是，除了最普通的情況外，您確實應該考慮在傳感器和計算平臺之間提供某種形式的輸入保護。

如下表所示，常見的保護方式有衰減、削波、光隔離、濾波：

常見保護方法的優(yōu)缺點（來源：Duane Benson）

關于上表中的“Clipping”項，另請參見“如何閱讀數(shù)據(jù)表：齊納二極管”和“如何閱讀數(shù)據(jù)表：TVS 二極管”。

當有源傳感器在與微控制器不同的電壓下工作時，也可能需要保護電路。

Digilent 的 Chipkit uc32（如圖所示）使用 3.3-V 32 位 Microchip MCU，但與 Arduino 兼容的板位于 5-V 宇宙中。它在其模擬輸入上組合實現(xiàn)了兩種不同類型的保護：用于防止過壓的削波二極管和用于限流的串聯(lián)電阻。（來源：杜安·本森）

另一個電壓轉換需求出現(xiàn)在具有與主機 MCU 不同的工作電壓的基于協(xié)議的傳感器上，例如連接到 3-V 或 1.8-V 微控制器的基于協(xié)議的 5-V I2C 傳感器（另請參見“不要讓I2C 上拉電阻在總線上咬你！ ”）。來自 1.8V MCU 的“高”信號可能不足以被傳感器視為邏輯“1”。3-V“高”可能會通過，但您可能無法依賴它，因為并非所有邏輯“1”信號都與系統(tǒng)電壓匹配，因此您最終可能會得到一個 2.2-V 信號，該信號被視為“由傳感器的 5-V I2C 決定。

此外，來自傳感器的邏輯“1”可能為 5 V 或足夠接近 5 V，這可能會燒毀 3 V（當然是 1.8 V）MCU 上的 I/O 端口。與此相反的是 5V MCU 和低壓傳感器的風險。我已經(jīng)用 5V 微控制器燒壞了更多的 3V 加速度計，這比我愿意承認的要多。

輸出電壓高于 MCU 的模擬傳感器也會導致同樣的問題。最重要的是，不匹配的傳感器和 MCU 電壓會像嘈雜的環(huán)境一樣造成損壞。

使用基于協(xié)議的傳感器，您將需要所謂的線路電平轉換器來改變兩個電壓之間的信號電平。這些設備可以使用一些分立的晶體管來限制，但它們也可以作為特殊的集成電路使用。它們將有一個共同的接地點，并將系統(tǒng)分開，一側有一個系統(tǒng)電壓，另一側有一個更高或更低的電壓。

此原理圖顯示了用于 I2C 總線的 3.3V 至 5V 雙向線路電平轉換器。未顯示連接兩側的公共地線。（來源：杜安·本森）

線路電平轉換器有雙向和單向版本。有些人對單向信號使用串聯(lián)電阻（更像是限流系統(tǒng)）。如果您對系統(tǒng)電流有足夠的了解以確保伴隨的電壓降足夠，這可以工作。

對于工作電壓高于 MCU 的模擬傳感器，您或許可以使用電阻分壓器來確保不會改變斜坡特性并將電壓保持在危險水平以下。您的電阻選擇將取決于模擬輸入的電流消耗規(guī)格。

下一次，我們將重新開始工作并開始將傳感器連接到微控制器。同時，如果您有任何與傳感器相關的具體問題或疑慮，請在評論中告訴我。