傳感器和換能器實現(xiàn)無線化并變得更智能

傳感器和換能器的最新發(fā)展表明，人們越來越重視物聯(lián)網(wǎng)的連接性、更集成的獨立解決方案的智能以及精度和準確性方面的更高性能。

推動這些發(fā)展的應(yīng)用包括資產(chǎn)和設(shè)備跟蹤和傳感、可穿戴設(shè)備、汽車和智能手機應(yīng)用，例如虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實。特別是，由于技術(shù)轉(zhuǎn)向 76 至 81 GHz 毫米波頻段，用于汽車的基于雷達的測距和位置傳感已取得顯著改進。

對于需要快速響應(yīng)客戶需求的開發(fā)人員來說，傳感器的集成封裝也是一個關(guān)鍵的推動因素，尤其是在消費類應(yīng)用中。Bosch Sensortec GmbH 專注于消費者領(lǐng)域，根據(jù)戰(zhàn)略營銷高級經(jīng)理 Wolfgang Schmitt 的說法，最終用戶對更好、更可靠和更有說服力的用例的需求越來越大。“這通常會受到傳感器性能的影響，”他說，特別是指更高的精度。

這適用于智能手機中內(nèi)置的六軸慣性測量單元 (IMU)。此外，在健身追蹤器中，“加速度傳感器的更高性能和更復雜的計步算法直接導致更準確的計步數(shù)字?！?/p>

Bosch Sensortec 最新發(fā)布的兩款產(chǎn)品 BMA456 和 BMA423 直接體現(xiàn)了這一主題，以及添加更多集成功能以及更多獨立處理和控制功能的趨勢(圖 1)。

圖 1：Bosch Sensortec 的 BMA456 和 BMA243 低功耗 MEMS 加速度傳感器專為運動和健身追蹤而設(shè)計。圖片來源：Bosch Sensortec。

BMA456 和 BMA243 包括一個優(yōu)化的計步器，用于直接集成到傳感器中的可穿戴設(shè)備，無需額外的外部微控制器。這有助于設(shè)計人員將成本和功耗控制在可接受的范圍內(nèi)，從而降低設(shè)計復雜性并縮短上市時間。

關(guān)鍵參數(shù)包括 16 位分辨率、120 μg√Hz 的噪聲系數(shù)和僅 20 mg 的生命周期內(nèi)的總偏移。步進計數(shù)器功能的功耗低于 30 μA，封裝尺寸為 2 x 2 mm，高度為 0.65 mm。這些傳感器還可用于高級手勢識別，例如手腕傾斜，并可以檢測跑步、步行和靜止不動等活動。

LoRaWAN 和 Sigfox 爭奪最佳無線連接隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷擴展，現(xiàn)在可以通過 LoRaWAN 和 Sigfox 通過低功耗、廣域網(wǎng)連接傳感器，覆蓋范圍可達 50 公里。雖然范圍對于快速部署數(shù)百或數(shù)千個節(jié)點而對地役權(quán)的擔憂最小化至關(guān)重要，但低功耗同樣重要，10 年的電池壽命是常見的參考點。

LoRaWAN 得到 LoRa 聯(lián)盟的支持，該聯(lián)盟最近超過了 500 個成員點。與 Sigfox 的許可頻段操作相比，它在未經(jīng)許可的頻段上運行。它受到了有限的硅可用性的阻礙，Semtech 是收發(fā)器的唯一供應(yīng)商，而 Microchip 則提供基于該收發(fā)器的模塊。然而，意法半導體已加入該集團，并且已經(jīng)在生產(chǎn)硅。瑞薩電子也加入了，預(yù)計也會這樣做。

即使 LoRaWAN 增加了芯片供應(yīng)商的數(shù)量，這兩個接口仍將繼續(xù)為設(shè)計人員提供良好的連接選擇，蜂窩運營商的窄帶物聯(lián)網(wǎng)也是如此。

與此同時，出現(xiàn)了一些有趣的傳感器選項，例如 Adeunis RF 的 LoRaWAN 傳感器收發(fā)器(圖 2)。

圖 2：LoRaWAN 傳感器收發(fā)器接收任何傳感器輸出并將其轉(zhuǎn)換為 RF 信號以實現(xiàn) LoRaWAN 無線連接。圖片來源：Adeunis RF。

雖然將更多智能集成到每個新傳感器中很誘人，包括無線連接，但這確實增加了成本和空間，同時還要求傳感器供應(yīng)商承諾使用一個或多個接口。這可能會導致多個 SKU 和潛在的庫存管理成本。還有一個問題是如何處理傳統(tǒng)傳感器：它們?nèi)绾芜B接到新的無線網(wǎng)絡(luò)?

Adeunis RF 的收發(fā)器通過獲取任何傳感器 I/O 信號并將其轉(zhuǎn)換為在 LoRaWAN 無線網(wǎng)絡(luò)上運行，從而從傳感器中提取無線接口。I/O 可以包括 0–10 V 和 4–20 mA 等。結(jié)果是，新舊傳感器(例如溫度、壓力、濕度和 CO 2等傳感器)都可以通過 LoRaWAN 快速輕松地連接到物聯(lián)網(wǎng)。

該接口的射頻功率為 14 dBm (25 mW)，射頻靈敏度高達 –140 dBm，范圍為 10 km。它支持 LoRaWAN V1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

汽車雷達跳到更寬的帶寬最近的監(jiān)管要求汽車雷達從 24 GHz 到 76 到 81 GHz 頻段的轉(zhuǎn)變帶來了許多明顯的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括由于更高的工作頻率和更寬的帶寬而導致的更小尺寸的組件，后者為更高分辨率的檢測打開了大門。

為了幫助設(shè)計人員利用更高頻段的操作，德州儀器推出了三款新的雷達傳感器器件：AWR1642、AWR1443 和 AWR1243(圖 3)。它們因 ARM Cortex-R4 處理器和 DSP 支持的級別以及發(fā)送和接收通道的數(shù)量及其采樣率(12.5 或 37.5 Msamples/s)而異。全部工作在 76 至 81 GHz 頻段。

圖 3：AWR1642 是用于汽車的三種 76 至 81GHz 角雷達解決方案之一：與其他兩種相比，它更側(cè)重于短距離應(yīng)用。圖片來源：德州儀器。

堅持汽車，但在換能器方面，TI 還推出了帶有換能器驅(qū)動器和信號調(diào)節(jié)器的 PGA460 超聲波 SoC。該芯片具有互補的低側(cè)驅(qū)動器對，可以在使用升壓變壓器的基于變壓器的拓撲中或使用外部高側(cè) FET 的直接驅(qū)動拓撲中驅(qū)動超聲波換能器(圖 4)。它還可以接收和調(diào)節(jié)反射回波信號以進行物體檢測。

圖 4：PGA460 是符合 AEC-Q100 標準的汽車超聲波信號處理器和換能器驅(qū)動器。圖片來源：德州儀器。

雷達和超聲波信號都被納入半自動和自動駕駛汽車(參見智能汽車發(fā)射自動登月)。除了激光雷達、攝像頭，甚至紅外傳感器，它們都被納入最佳傳感系統(tǒng)，以最大限度地提高道路安全性和駕駛效率。

觸覺反饋控制結(jié)合了傳感器和換能器與機器或汽車儀表板交互的方式有很多種，但英國初創(chuàng)公司 Ultrahaptics 開發(fā)了一種方法，可以感應(yīng)手的位置，然后向手指或手發(fā)送精確的目標超聲波脈沖表面，這樣它就可以感覺到整個世界就像用戶在半空中觸摸一個旋鈕或按鈕(圖 5)。

圖 5：Ultrahaptics 的觸覺反饋系統(tǒng)可以使用任何手勢感應(yīng)技術(shù)。它的區(qū)別在于它對手部使用超聲波脈沖來提供 3D 觸摸感覺。圖片來源：Ultrahaptics。

盡管該技術(shù)自 2013 年以來一直處于不同的發(fā)展階段，但現(xiàn)在它在汽車和醫(yī)療應(yīng)用中越來越受歡迎。這兩個應(yīng)用程序脫穎而出，因為設(shè)計師可以使用 Ultrahaptics 的技術(shù)來開發(fā)一個不需要視覺協(xié)調(diào)的系統(tǒng)，這會分散駕駛員的注意力。它也不需要醫(yī)生或醫(yī)療領(lǐng)域的其他人接觸可能被污染的表面。

審核編輯：湯梓紅