關(guān)于傳感器信號校準小知識

校準是許多傳感器（或變送器）制造過程中的關(guān)鍵步驟，例如壓力，溫度和位置傳感器。校準所需的一個關(guān)鍵組件是傳感器和校準系統(tǒng)之間的通信接口。該通信接口涉及傳感器和校準系統(tǒng)中的硬件和軟件。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，減少專門用于支持校準期間通信所需的傳感器引腳數(shù)量 - 以及相應(yīng)的線束或電纜數(shù)量 - 是一個好處，因為它可以降低成本和傳感器解決方案硬件尺寸（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(shè)備的通信來提供這些益處。此外，在雙線發(fā)射器的情況下，電力線上的OWI提供了更多的益處。

雙線發(fā)送器無需額外的引腳，因為數(shù)據(jù)和電源通過同一線路發(fā)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(fā)射器解決OWI問題，重點關(guān)注與電力線上的OWI相關(guān)的挑戰(zhàn)，并提出克服這些挑戰(zhàn)的解決方案。

傳感器信號調(diào)節(jié)器的校準

校準傳感器信號調(diào)節(jié)器是傳感器或變送器制造過程中的關(guān)鍵步驟。圖1顯示了傳感器和校準系統(tǒng)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(zhuǎn)換為電信號; 2）傳感器信號調(diào)節(jié)器，使用數(shù)學算法處理傳感元件。該框圖還顯示了“校準系統(tǒng)”。校準系統(tǒng)安裝在最終傳感器生產(chǎn)線中，是用于校準傳感器的硬件和軟件的集合。在本文中，我們使用術(shù)語傳感器和發(fā)射器可互換，因為它們意味著相同的終端設(shè)備。

圖1：傳感器和校準系統(tǒng)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(diào)節(jié)器中實現(xiàn)的數(shù)學算法用于校正這些非理想性。校準傳感器是確定數(shù)學算法的參數(shù)或系數(shù)的過程。在校準過程中，校準系統(tǒng)從傳感器信號調(diào)節(jié)器收集數(shù)據(jù)并確定系數(shù)。然后校準系統(tǒng)將算法參數(shù)傳送到傳感器信號調(diào)節(jié)器。如參考文獻［3］所示，校準通常是一個兩步過程，根據(jù)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(tǒng)都必須從傳感器信號調(diào)節(jié)器接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺鞲衅餍盘栒{(diào)節(jié)器。這些數(shù)據(jù)包括［3］：

后端數(shù)據(jù)

前端數(shù)據(jù)

傳感器信號調(diào)理器配置和算法參數(shù)

該校準系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺鞲衅餍盘栒{(diào)節(jié)器，并從傳感器信號調(diào)節(jié)器中的寄存器接收數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)的最終精度目標，在多個溫度點收集后端和前端數(shù)據(jù)。例如，對于用于校準的每個溫度重復(fù)步驟“a”和“b”。注意，系數(shù)和配置設(shè)置通常存儲在傳感器信號調(diào)節(jié)器中的非易失性存儲器中，例如EEPROM。

用于校準的通信接口

校準系統(tǒng)可以使用傳感器信號調(diào)節(jié)器支持的通信接口與傳感器信號調(diào)節(jié)器通信。一些常用的通信接口是：

串行外設(shè)接口（SPI）

內(nèi)部集成電路（I2C）

通用異步接收器/發(fā)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(yōu)點和缺點。例如，SPI需要四條線：MISO，MOSI，CSN和SCLK。圖2顯示了基于SPI通信接口的校準系統(tǒng)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(chǎn)傳感器信號調(diào)節(jié)器的角度來看，校準硬件需要更大，更昂貴和復(fù)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，僅用于校準期間的通信。

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圖2：多器件校準系統(tǒng)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于通信的專用引腳。

因此，OWI提供了更好的校準混合信號傳感調(diào)節(jié)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(fā)送器中的一個引腳和線路。

單線接口

OWI背后的主要原則是主設(shè)備和從設(shè)備之間的通信發(fā)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(shè)備中，OWI通信通過信號引腳進行，其中數(shù)據(jù)從主設(shè)備發(fā)送和接收。由于這是一個信號引腳，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，信號電平必須大于建議的最小電源電壓VDD MIN。此外，由于通信通過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。

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圖3：具有OWI信號引腳的器件中的OWI通信。

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圖4：具有OWI over power line的設(shè)備中的OWI通信。

OWI超過電源引腳的挑戰(zhàn)

在電源引腳上實現(xiàn)OWI的主要挑戰(zhàn)是在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)傳輸時接收電源。這可能導(dǎo)致各種挑戰(zhàn)。

權(quán)力和數(shù)據(jù)

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(yīng)低于器件的最低建議工作電壓?；谶@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(wěn)定性。

由于放大器驅(qū)動器件的VDD引腳，它還驅(qū)動VDD引腳去耦電容。這意味著，根據(jù)電容值和使用的放大器，您需要考慮輸出放大器的穩(wěn)定性。放大器的輸出穩(wěn)定性通過使用標準技術(shù)實現(xiàn)，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的整個波特率范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。

電壓下降

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

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圖5：通過電源線進行OWI通信時可能出現(xiàn)的電壓降。

這些電壓降導(dǎo)致VDD引腳的電壓低于為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(shè)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(shù)。V OWI是校準系統(tǒng)在特定設(shè)備的指定OWI電壓電平下發(fā)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(xiàn)OWI的解決方案，克服了我們之前提到的挑戰(zhàn)。該解決方案背后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(jié)果，即使在沿著電力線的所有可能的電壓下降之后，傳感器信號調(diào)節(jié)器的VDD引腳處的電壓電平也變?yōu)槠谕腛WI電壓電平。公式2顯示了電壓相加后器件的電壓V SIG_COND。

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圖6：解決所討論挑戰(zhàn)的OWI over power line實現(xiàn)。

這種在電源線上實現(xiàn)OWI的可能解決方案允許邏輯電平在校準系統(tǒng)側(cè)自我調(diào)整，只要已知沿電源線的電阻和恒定電壓降。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，如果電源線中沒有恒定的電壓降或電阻，則可以將這兩個元件設(shè)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(zhàn)：

功率放大器為器件提供電源，并以求和放大器配置傳輸數(shù)據(jù)。

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(chǎn)生OWI規(guī)定的電壓電平。使用傳感器信號調(diào)節(jié)器的特定設(shè)計將確定需要添加到OWI信號的恒定電壓和IR降。