傳感器和換能器實(shí)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(dú)立解決方案的智能以及精度和準(zhǔn)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(jī)應(yīng)用，例如虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。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(dá)的測距和位置傳感已取得顯著改進(jìn)。

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(gè)關(guān)鍵的推動因素，尤其是在消費(fèi)類應(yīng)用中。Bosch Sensortec GmbH 專注于消費(fèi)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?！斑@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(jī)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(fù)雜的計(jì)步算法直接導(dǎo)致更準(zhǔn)確的計(jì)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(dú)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(yùn)動和健身追蹤而設(shè)計(jì)。圖片來源：Bosch Sensortec。

BMA456 和 BMA243 包括一個(gè)優(yōu)化的計(jì)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(jì)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(jì)復(fù)雜性并縮短上市時(shí)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(jìn)計(jì)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(kuò)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(dá) 50 公里。雖然范圍對于快速部署數(shù)百或數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)而對地役權(quán)的擔(dān)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(diǎn)。

LoRaWAN 得到 LoRa 聯(lián)盟的支持，該聯(lián)盟最近超過了 500 個(gè)成員點(diǎn)。與 Sigfox 的許可頻段操作相比，它在未經(jīng)許可的頻段上運(yùn)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(dǎo)體已加入該集團(tuán)，并且已經(jīng)在生產(chǎn)硅。瑞薩電子也加入了，預(yù)計(jì)也會這樣做。

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

與此同時(shí)，出現(xiàn)了一些有趣的傳感器選項(xiàng)，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(shí)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(gè)新傳感器中很誘人，包括無線連接，但這確實(shí)增加了成本和空間，同時(shí)還要求傳感器供應(yīng)商承諾使用一個(gè)或多個(gè)接口。這可能會導(dǎo)致多個(gè) SKU 和潛在的庫存管理成本。還有一個(gè)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(yùn)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(dá) –140 dBm，范圍為 10 km。它支持 LoRaWAN V1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

汽車?yán)走_(dá)跳到更寬的帶寬最近的監(jiān)管要求汽車?yán)走_(dá)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(dǎo)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(jì)人員利用更高頻段的操作，德州儀器推出了三款新的雷達(dá)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(dá)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(jiān)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(bǔ)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?fù)渲谢蚴褂猛獠扛邆?cè) FET 的直接驅(qū)動拓?fù)渲序?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(jìn)行物體檢測。

圖 4：PGA460 是符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(dá)、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(jī)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(biāo)超聲波脈沖表面，這樣它就可以感覺到整個(gè)世界就像用戶在半空中觸摸一個(gè)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(gè)應(yīng)用程序脫穎而出，因?yàn)樵O(shè)計(jì)師可以使用 Ultrahaptics 的技術(shù)來開發(fā)一個(gè)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