作者:Mike Parks

圣诞老人一定是这个世界上最懂技术的人之一了,想想看:要在一个晚上环游世界,并且给数亿儿童送去礼物,只有采用先进的技术才有可能完成,当然它的交通工具雪橇——后勤保障中心——肯定配备了尖端的电子设备才能够胜任年复一年的任务。虽然他的移动指挥中心被安全的锁定在北京,但是我们可以对雪橇上采用的技术做一些猜想。

成像传感器

看到你要去的地方可能是这个快乐的老精灵最关心的事情了,他的雪橇很可能装备了一个前视红外(FLIR传感器,可以让他在地球北部遇到寒冷天气时能够快速的穿越。圣诞老人可能会发现能够看到自己要去哪里非常的重要,而鲁道夫(Rudolph)的红鼻子智能提供这么多的照明。此外雪橇可能还集成了一个光探测器和距离传感器(LIDAR)来生成三维图像,这样他就可以准备安全的着陆了。

感知和避障技术

关于圣诞老人的民间传说之一是他会列出一个清单(并检查两次),但是他怎么知道这个清单应该包括什么呢?他可能使用了一些无人系统中的发现技术,更广为人知的就是无人机了,假设圣诞老人按照美联航(FAA)制定的规则,他的雪橇在视角270°x30°的三公里范围内可以检测到入侵的飞机。

为了满足这些需求,雪橇采用了计算机视觉感知和避障系统,这让圣诞老人在乘坐喷气式飞机或者雪橇环游地球时管理他的礼物清单。现在计算机视觉系统,比如英特尔Movidius神经网络计算棒是建立在成熟的机器学习算法基础上的。换句话说这些系统通过让机器处理足够多的相似图像使其最终能够猜测出它看到了什么,从而教会机器识别图像,例如帮助圣诞老人分辨屋顶还是山顶。

全球导航卫星系统(GNSS)

圣诞老人坚持亲手给每一个男孩和女孩送礼物,这就需要精确的知道他每时每刻的位置。全球导航卫星系统(GNSS)是各种基于卫星导航技术的总称,这种技术能够定位地球上的任何东西或任何人。具体实现包括GPS(可能是最广为人知的卫星导航系统)、GLONASS、QZSS、北斗和伽利略(Galileo)。圣诞老人的雪橇上可能有多个系统从而确保他在地球上任何位置都能准确定位。整个不同的卫星导航系统并不像人们想象的那么复杂,通过GPS接收器,比如马克西姆公司推出的MAX2769B,可以让雪橇集成不同的卫星导航系统。

5G通信

圣诞老人经常被认为是独自一人年复一年的传递圣诞快乐,事实是如果没有与北极指挥中心以及一个秘密的全球网络的持续沟通,圣诞老人永远不可能完成他完美的成功记录。不断的调整礼品清单、获取天气信息、更新礼品派送顺序而且与克劳斯夫人保持联系,这些都需要在每秒内推送大量的信息。这意味着圣诞老人可能采用的是第五代(5G)无线网络原型,5G能够提供100倍的数据速率(对于游戏、超高清晰视频和虚拟现实非常重要),低功耗的特性促进了人机通信,满足汽车与汽车之间、汽车与基础设施之间通信的要求,甚至为有线电视、宽带和娱乐等领域提供更好的服务。

有传言称圣诞老人正在与谷歌公司的SkyBender项目密切合作,测试利用无人机和飞机将网络数据以40倍目前4G蜂窝网络的速度传递到地球的可能性,速度非常的快,但是还是没有圣诞老人的雪橇快。

总结

不管大家管他叫圣诞老人、圣诞之父还是老圣尼克,他都可以说是一个真正的技术爱好者,通过投资最新的技术,圣诞老人确保他可以继续为世界各地数百万儿童带来微笑。

所以接下来是什么呢?有传言说他已经委托他的精灵工程师开始起草计划,一些人认为这是有史以来最为激进的雪橇设计,还有些人说新雪橇融合了新一代航天器的尖端技术,这样圣诞老人就可以为人类在月球和火星定居做一些准备。可怜的家伙!疲惫的人确得不到休息!

原文链接:
https://www.mouser.com/blog/beyond-top-secret-the-tech-behind-santas-sleigh

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专注于引入新品并提供海量库存的电子元器件分销商贸泽电子 (Mouser Electronics) 即日起备货Bourns精密传感器 (BPS) 系列环境传感器 。Bourns的这个新传感器系列采用微机电系统 (MEMS) 技术,包括高精度压力和湿度传感器,适合医疗设备、HVAC设备和工业过程控制等要求严苛的应用。

贸泽电子供应的Bourns BPS系列包含用于敏感操作条件的三个压力传感器系列。BPS110和BPS120传感器在0.15 psi至1.0 psi超低压范围内提供精准感测,并在0至60℃温度范围内提供稳定的 1.5% 满量程总误差带 (FS TEB)。BPS110和BPS120传感器自豪地宣布校正后的压力范围达到了水下1英寸 (2.54 cm),提供经过完全校准和补偿的输出以提高处理效率。

BPS130传感器在高温应用中提供精密感测,工作温度范围是-40到150℃,在器件的整个作业范围内提供2.5%的总误差带 (TEB)。BPS130 传感器在整个生命周期内提供稳定的性能,能够在 15至500 psi的宽广压力范围内工作。

Bourns BPS系列还包含准确度非常高的低功耗BPS230湿度传感器。这些精密传感器在-30至100℃的校准温度范围内提供±3%的相对湿度精度,并提供13 µA(典型值)的低电流消耗,适用于电池供电的应用。BPS230传感器采用2.0 × 2.0 × 0.75 mm 微型封装,是消费类产品和医疗监控设备的理想选择。

有关更多详情,敬请访问www.mouser.com/bourns-bps-precision-sensors

贸泽电子拥有丰富的产品线与贴心的客户服务,积极引入新技术、新产品来满足设计工程师与采购人员的各种需求。我们库存有海量新型电子元器件,为客户的新一代设计项目提供支持。Mouser网站Mouser.cn不仅有多种高级搜索工具可帮助用户快速了解产品库存情况,而且网站还在持续更新以不断优化用户体验。此外,Mouser网站还提供数据手册、供应商特定参考设计、应用笔记、技术设计信息和工程用工具等丰富的资料供用户参考。

关于贸泽电子 (Mouser Electronics)

贸泽电子隶属于伯克希尔哈撒韦集团 (Berkshire Hathaway) 公司旗下,是一家屡获殊荣的授权电子元器件分销商,专门致力于以高效的方式,向设计工程师和采购人员提供各产品线制造商的新产品。作为一家全球分销商,我们的网站mouser.cn能够提供多语言和多货币交易支持,分销来自超过750家生产商的500多万种产品。我们通过遍布全球的23个客户支持中心为客户提供贴心的服务,并通过位于美国德州达拉斯南部的 7万平方米智能化仓库向全球220多个国家/地区,超过60万家客户出货。更多信息,敬请访问:http://www.mouser.cn

关于Bourns

Bourns是汽车传感器、电路保护解决方案、磁性产品、微电子模块、微调和精密电位计、面板控制器、编码器和电阻产品的优秀制造商和供应商。Bourns总部位于加州的河滨市,其产品覆盖电信、计算机、工业、仪表、汽车、消费类产品、非危急生命保障医疗、音频等各种市场以及其他细分市场。Bourns产品遵守ISO-9000标准,按照六西格玛质量计划生产 ,而Bourns汽车产品则按照TS16949标准生产。

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专注于引入新品并提供海量库存的电子元器件分销商贸泽电子 (Mouser Electronics) 即日起开始备货TE Connectivity (TE) 的AmbiMate传感器模块MS4开发套件。TE是连接和传感器领域的全球领导者,其开发套件允许全球工程设计和开发团队为具有TE先进AmbiMate MS4系列传感器模块的系统构建原型和评估板。

贸泽备货的TE AmbiMate传感器模块MS4开发套件让工程师和开发人员能够将多达7个智能传感器连接到Raspberry PiArduino板,并通过TE的可下载代码在30分钟内收集数据。所有套件均包括无源红外 (PIR) 运动、光、温度和湿度传感器,以及用于等效CO2 (eCO2) 和挥发性有机化合物 (VOC) 的集成式麦克风和传感器等可选配件。

TE AmbiMate MS4系列传感器模块和开发套件便于在楼宇自动化、照明和智能家居应用中轻松集成各种主机产品,以通过环境数据作出产品决策。例如,工程师可使用一个或多个模块来捕捉VOC和eCO2浓度并评估空气质量。TE AmbiMate传感器模块集成了麦克风,可通过侦听声音增强运动检测功能。 通过一组模块可检测浓度、湿度、温度和光照度,允许楼宇控制器调整室内亮度、HVAC设备、能源管理以及其他分区环境控制,效果持久。

欲知更多信息,敬请访问www.mouser.com/te-ambimate-ms4-dev-kits

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关于TE Connectivity

TE Connectivity 是全球技术和制造领导者,年销售额达 130 亿美元,致力于创造更安全、可持续、高效 和互连的未来。75 余年以来,TE 的连接和传感解决方案经受严苛环境的验证,持续推动着交通、工业 应用、医疗技术、能源、数据通信和家居的发展。TE 在全球拥有约 78,000 名员工,其中 7,000 多名为 工程师,合作的客户遍及全球近 150 个国家。TE 相信“无限连动,尽在其中”。更多信息,敬请访问www.te.com

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专注于引入新品推动行业创新的电子元器件分销商贸泽电子 (Mouser Electronics) 开始分销Dialog SemiconductorSmartBond™多传感器套件。此套件是市场上尺寸较小、功耗较低的无线传感器套件,集成了Dialog的DA14585 SmartBond片上系统 (SoC)、TDK InvenSense运动传感器和Bosch Sensortec环境传感器,可为物联网 (IoT) 应用提供15自由度 (DOF)。

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贸泽备货的Dialog SmartBond多传感器套件是完整的多传感器节点解决方案,让工程师能够运用相同的硬件开发多种应用,通过固件支持不同的用例。此套件结合了蓝牙®5无线通信、Arm® Cortex®-M0处理器、加速度计、陀螺仪、磁力计和环境传感器,有助于缩短开发时间,快速实现验证概念,并加速产品上市。

套件配备的硬件和软件非常灵活,其中包括广泛的云支持,从用于创建简单小程序的IFTTT,到创建用于数据分析的高级工作流程,支持所有主要平台的云代理。通过云连接,工程师可以在项目中加入历史数据可视化、远程传感器管理、Alexa语音命令支持、警报通知和基于云的执行器控制等功能。

此多传感器套件由Dialog的软件套件提供支持,其中包括DA14585中运行的应用软件、用于树莓派 (Raspberry Pi) 硬件的云网关软件、web应用程序,以及用于Android和iOS的移动应用程序。板载DA14585收集的传感器数据可通过Dialog独特的SmartFusion™ 软件在本地进行处理,从而在将数据传输至智能手机或从蓝牙树莓派网关传输到云端之前,以极小的干扰和超低的功耗进行传输。

更多信息,敬请访问www.mouser.com/dialog-smartbond-da14585-iot-dev-kit

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关于Dialog Semiconductor

Dialog Semiconductor生产高度集成的混合信号集成电路 (IC),并针对个人便携应用、低功耗短距离无线应用、LED固态照明和汽车应用进行优化。Dialog为现有业务合作伙伴提供灵活、动态的支持、出色的创新技术和保障服务。

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专注于引入新品并提供海量库存的电子元器件分销商贸泽电子 (Mouser Electronics) 即日起开始分销Texas Instruments (TI) 的HDC2080温湿度数字传感器。此款传感器尺寸小巧,精度高且功耗低,是各种物联网 (IoT) 和环境监视应用的理想之选。

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贸泽备货的TI HDC2080温湿度数字传感器是一款电容式产品,集成式加热软件可消除冷凝和湿气,而其具备的多种数字特性允许使用可编程输入阈值提供系统唤醒和警报功能,无需通过微控制器对系统进行监控。 HDC2080传感器的功耗低,不需要微控制器输入即可启动测量,因此开发人员可将微控制器置于深度休眠模式。此高性能传感器拥有±2%的典型湿度测量精度和±0.2°C的典型温度测量精度。

此传感器具备可自动开启湿度和温度测量的自动测量模式,能够让具有严格功耗预算限制应用高效运行。该传感器支持1.62 V至3.6 V的电压范围,可用于电池供电系统,工作温度范围介于–40°C 至 85°C,可安全地用于家电、智能家居设备、智能恒温计、HVAC系统和喷墨打印机等应用。

HDC2080温湿度数字传感器由HDC2080EVM提供支持,这是一个具有MSP430F5528微控制器和USB接口的即插即用平台,便于HDC2080传感器与PC之间进行通信。模块随附的软件能以图形方式记录温湿度数据,此外模块还能访问传感器的配置寄存器。

如需了解进一步详情,敬请访问www.mouser.com/ti-hdc2080-digital-sensor

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随着智能控制需求的提升,在汽车和工业领域都有检测物体的距离、速度和角度的需求如大家熟悉的自动驾驶汽车就配备了雷达测距装置。在所有感测方案中,能穿透塑料、墙壁、玻璃等材料,以及雨、雾、灰尘、光照和黑暗等环境条件下的感测场景日益增多,而毫米波技术是唯一能够满足所有这些需求的传感技术。经过七年研发,TI的毫米波方案终于面市,其性能可谓一鸣惊人!

我们知道,毫米波雷达是传输波长在毫米范围内的信号。其一个优点是毫米波需要的天线很短,另个优点是波长是高精度的。 毫米波系统一般工作在76-81 GHz范围,监测精度可以高达毫米以下,完整的毫米波雷达系统包括发射(TX)和接收(RX)射频(RF)分量、模拟组件如时钟、模数转换器(ADC),微控制器(MCU)和数字信号处理器(DSP)等。传统上,这些系统是用分立元件实现的,这增加了功耗和整体系统成本,同时系统复杂性也提升了,现在,TI提供的单芯片高集成方案解决了这些挑战。

TI的AWR和IWR两个系列毫米波产品,分别面向汽车雷达应用和工业雷达领域。在集成度、感测精度、整体方案尺寸等方面都为用户带来了突破性的提升。该系列芯片为全集成式CMOS芯片集成了RFMCU或DSP,具有小于4 cm的距离分辨率,距离精度低至小于50 μm,范围达到300 m。

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TI的毫米波传感器具有工业和汽车选项。使用毫米波SDK简化了传感,可以在30分钟内对传感项目进行调整和评估。检测的空间和速度分辨率可以比传统解决方案高三倍。CMOS单芯片传感器通过将射频前端与DSP和MCU集成来缩小设计尺寸。

AWR系列汽车毫米波传感器增强驾驶体验,通过分析以及对周围环境做出反应,变得更安全、更轻松。IWR系列工业毫米波传感器通过检测物体的距离、速度和角度,提供前所未有的准确性和稳健性。

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汽车AWR产品特性

  • 前面远距离雷达 - 以小于1度的角度精度和高达300公里/小时的速度检测摩托车、汽车或其他动态物体

  • 多模式雷达 - 通过运行时间可配置性和干扰检测能力检测复杂的城市场景

  • 近距离雷达 - 以高达80米的高距离精度检测摩托车、汽车和其他动态物体

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工业IWR产品特性

  • 水平发射器 - 在3 Σ精度条件下实现小于100微米(+/- 15微米)的高准确度

  • 交通雷达 - 在距离60米,速度达100公里/小时的情况下,对驶近车辆进行功能强大的检测

  • 无人机 - 用作测量30米以上电力线路的基准,轻松检测地面和水域之间的差异

  • 楼宇自动化 - 通过对雨、雾、烟或环境照明的功能强大的环境感应,实现对室内和室外人员的检测和跟踪

看到最后,小伙伴们对TI毫米波传感器是不是有更深度的了解了?

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摘要

如果系统精度、效率和可靠性至关重要,设计传感器节点 无线数据传输以用于远程监控会是一个相当大的挑战。溶 液的pH值是许多行业需要考虑的一种测量,例如农业或医 疗领域。本文的主要目的是评估pH玻璃探针的特性,从而 解决硬件和软件设计的不同挑战,并提出一种利用射频收发器模块从探针无线传输数据的解决方案。

简介

本文第一部分介绍pH探针,然后探讨与前端信号调理电路相关 的各种设计挑战,以及如何实现低成本、高精度、高可靠性的数 据转换。为了提高数据处理的精度,讨论中还会涉及校准技术, 例如一般多项式拟合,即利用最小二乘法逼近分散的预定义数 据来校准pH值。本文最后一部分提供一种无线监控系统参考电 路设计。

了解pH探针

pH值定义

水溶液可分为酸性、碱性和中性三类。在化学中,酸碱度通过一 种数值尺度来衡量,称为pH值。依据嘉士伯基金会的定义,pH值 代表氢离子浓度。此尺度是一个对数尺度,范围为1到14。pH值的 数学表达式为:pH = –log(H+)。因此,如果氢离子浓度为1.0 × 10–2 摩尔/升,则pH = –log(1.0 × 10–2) = 2。蒸馏水等水溶液的pH值为 7,这是一个中性值。pH值小于7的溶液为酸性溶液,大于7的溶液 为碱性溶液。对数尺度反映了一种溶液相对于另一种溶液的酸 性程度。例如,pH值为5的溶液,其酸度是pH值为6的溶液的10倍,是pH值 为8的溶液的1000倍。

pH指示器

有很多办法可测量水溶液的pH值,包括通过石蕊试纸指示器或 使用玻璃探针。

石蕊试纸

石蕊试纸指示器通常由从地衣提取的染液制成,可用来指示pH 水平。一旦与溶液接触,试纸就会发生化学反应,导致其颜色改 变,由此指示pH水平。这一类大体上包括两种方法:一种是将已 知pH值对应的标准颜色与利用缓冲溶液浸入测试液体的指示器 颜色进行比对;另一种是将pH试纸先浸没在指示器中,然后浸入 测试液体中,将其颜色与标准颜色进行比对。虽然上述两种方法 很容易实现,但是温度和测试溶液中的杂质很容易引起误差。

pH玻璃探针2

最常用的pH指示器是pH探针。它由一个玻璃测量电极和一个参 比电极构成。典型玻璃探针由玻璃薄膜及其中封入的盐酸(HCl) 溶液组成。外壳内部有一根镀AgCl的银线,其充当参比电极并与 HCL溶液接触。玻璃膜外部的氢离子扩散通过玻璃膜,置换相应 数量的钠离子(Na+),多数玻璃中一般都存在钠离子。这种正离子 很敏锐,大部分限定在玻璃表面上浓度较低的一侧薄膜上。Na+ 的多余电荷在传感器输出端产生一个电压。探针类似于一块电池。当把探针置于溶液中时,测量电极产生 一个电压,其大小取决于溶液中氢的活性,然后将该电压与参 比电极的电位进行比较。随着溶液酸性的增强(pH值变低),玻 璃电极电位相对于参比电极阳性增强(+mV);随着溶液碱性的增 强(pH值变高),玻璃电极电位相对于参比电极阴性增强(-mV)。 这两个电极之差即为测得电位。在理想情况下,典型的pH探针在 25°C下会产生59.154 mV/pH单位,通常用能斯脱方程表示如下:

其中:

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E = 氢电极电压,活性未知
a = ±30 mV,零点容差
T = 环境温度(25°C)
n = 1(25°C),价(离子上的电荷数)
F = 96485库仑/摩尔,法拉第常数
R = 8.314 伏特-库仑/°K摩尔,阿伏加德罗氏数
pH = 未知溶液的氢离子浓度
pHISO = 7,参比氢离子浓度

方程表明,产生的电压取决于溶液的酸度和碱度,并以已知方式 随氢离子活性而变化。溶液温度的变化会改变其氢离子的活性。 当溶液被加热时,氢离子运动速度加快,结果导致两个电极间电 位差的增加。另外,当溶液冷却时,氢活性降低,导致电位差下 降。根据设计,在理想情况下,当置于pH值为7的缓冲溶液中时, 电极会产生零伏特电位。

典型pH探针的规格如下表所示。

表1. pH玻璃探针的典型规格

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pH探针在本研究中起着重要作用,因为数据可靠性取决于传感 器的精度和可靠性。选择pH探针时,有两个重要因素需要考虑: 缓冲溶液温度改变之后的稳定时间及其pH值改变之后的稳定时 间。作为例子,下面的数据摘自Jenway的应用笔记“Jenway高性能 pH电极评估”1 ,显示了探针在给定测试条件下发生温度变化后 的稳定性能。制备一种溶液,其缓冲液在20°C时的pH值为7,在 60°C时的pH值为4。让各电极在以200 rpm转速搅拌的pH 7缓冲液 中稳定。然后用去离子水清洗电极,并将其转移到pH 4缓冲液的 等分试样中放置4分钟。再次用去离子水清洗电极,然后将其放 回到pH 7缓冲液中。评估读数持续10秒保持稳定所需的时间。对 每个探针重复测试三次。

表2. 缓冲溶液温度改变之后的稳定时间

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表3. 缓冲溶液pH值改变之后的稳定时间

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在所示给定条件下,Jenway探针的性能与通用pH探针相比,响应 时间要快最多50%。使用类似这样的仪表会非常有利,因为其样 本吞吐速率很高,分析数据所需的时间会大大缩短。

传感器模拟信号调理电路

为了理解信号调理电路,必须知道传感器探针的等效电路图。 如上一节所述,pH探针由玻璃制成,可形成极高的电阻,范围从1 MΩ到1 GΩ不等,充当与pH电压源串联的电阻,如图1所示。

“图1.
图1. pH探针等效电路配置

即使非常小的电路电流流经电路中各器件的高电阻(尤其是测 量电极的玻璃膜),这些电阻上也会产生相对较大的压降,严 重降低仪表测得的电压。更糟糕的是,测量电极产生的电压差 非常小,处于毫伏范围(理想情况下,室温时每pH单位对应59.16 mV)。用于此任务的仪表必须非常灵敏,并且有超高输入电阻。

模数转换

对于此类应用,给定传感器的响应时间时,数据采样速率将是一 个问题。假设传感器分辨率为0.001 V rms,ADC满量程电压范围为 1 V,则实现9.96位的有效分辨率无需高分辨率ADC。无噪声分辨 率单位为位,用下式定义:无噪声分辨率 = log2 [满量程输入电压 范围/传感器峰峰值电压输出噪声]。ADC采样速率对低功耗应用 可能是一个重要因素,因为ADC的采样速率与功耗直接相关。在 传感器的响应时间一定时,典型ADC采样速率可设置为其最低吞 吐速率。可采用集成ADC的微控制器以减少器件数量。

收发器

传输pH和温度数据需要收发器,控制收发器需要微控制器。收 发器和微控制器的选择涉及到一些重要考量。

选择收发器必须考虑如下因素:

  • 工作频率
  • 最大距离范围
  • 数据速率
  • 许可

工作频率

设计RF传输必须确定工作频率(OF),sub-GHz或2.4 GHz频率能否满 足应用要求。在需要高数据速率和使用蓝牙等宽带宽的应用中, 2.4 GHz频率是最佳选择。但工业应用通常使用sub-GHz频率,因 为可用的专有协议能方便地提供网络链路层。专有系统主要使用 sub-GHz范围内的ISM频率,即433 MHz、868 MHz和915 MHz。

最大距离范围

Sub-1 GHz频率支持25 km以上的长距离、大功率传输。当用于点对 点或星形拓扑时,这些频率可有效穿透墙壁和其他障碍物。

数据速率

数据速率也需要确定,它会影响收发器的传输距离能力和功耗。 数据速率较高时,功耗较低,可以用于短距离传输;而数据速率 较低时,功耗较高,可以用于长距离传输。要降低功耗,提高数 据速率是一个好办法,因为它只在很短的时间内以突发方式消耗 电流,但这样做也会缩短无线电覆盖距离。

收发器功耗

收发器功耗对电池供电应用非常重要。这在许多无线应用中也是 一个考虑因素,因为它决定了数据速率和距离范围。收发器有两 个功率放大器(PA)选项以提供更大的使用灵活性。单端PA可以输 出最多13 dBm的RF功率,差分PA可以输出最多10 dBm的功率。表 4总结了一些PA输出功率与收发器IDD电流消耗的关系。为完整起 见,表中同时给出了接收模式的电流消耗。

表4. PA输出功率与收发器IDD电流消耗小结

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许可

Sub-GHz包括433 MHz、868 MHz和915 MHz的免许可ISM频段。它广 泛用于工业中,非常适合各种无线应用。它可以用在世界上的不 同地区,因为它符合欧洲ETSI EN300-220法规、北美FCC Part 15法 规及其他类似监管标准。

微控制器

如图2所示,RF系统的核心是一个处理器单元或微控制器(MCU), 其处理数据并运行与收发器(用于RF传输)和pH参考设计(RD)板 (用于传感器测量)接口的软件堆栈。

“图2.
图2. 无线传感器数据采集和传输框图

选择微控制器必须考虑如下因素:

  • 外设
  • 存储器
  • 处理能力
  • 功耗

外设

微控制器应集成SPI总线之类的外设。收发器和pH参考设计板均 通过SPI连接,因此需要两个SPI外设。

存储器

借助适当大小的存储器,微控制器执行协议处理和传感器接口 任务。Flash和RAM是微控制器的两个极重要组成部分。为确保系 统不会用尽存储空间,使用128 kB内存。这必定会让应用和软件 算法流畅运行,并且为可能的升级和功能增加(以便消除系统问 题)留有余地。

架构和处理能力

微处理器必须足够快,以便处理复杂的计算和流程。该系统使用 32位微处理器。虽然位数较低的处理器可能也可行,但本系统选 择使用32位以支持潜在更高的应用和算法需求。

微处理器功耗

微处理器的功耗应非常低。对于那些依赖电池供电且必须在无 维保的情况下运行数年的应用,功耗至关重要。

其他系统考量

差错校验

通信处理器在发射模式下将CRC附加于有效载荷,在接收模式下 检测CRC。有效载荷数据加上16位CRC可以利用曼彻斯特编码技 术进行编码/解码。

成本

系统应当使用最少的器件和最小的板尺寸,因为当成本是关键 要求之一时,这些常常是决定性因素。不要使用分立器件,必须 考虑由MCU和无线器件组成的集成解决方案。这样可消除无线 电和MCU之间互连的设计难题,简化电路板设计,使设计流程更 直接了当,并缩短焊线,使其更不易受干扰影响。利用集 ARM® Cortex®-M MCU和无线电收发器于一体的单个芯片,可以减少电路 板器件数量,简化电路板布局布线,降低总成本。

校准

执行校准例程是实现高精度的关键环节之一。能斯脱方程所描 述的pH溶液的一个特征是其高度依赖于温度。传感器探针仅给 出一个恒定的失调,可认为该失调在所有温度水平都是恒定的。 由于其高度依赖于温度,本系统必须有一个确定溶液温度的传 感器。

可以使用直接代入能斯脱方程之类的方法,但由于溶液的非理想 特性,可能会产生某种程度的误差。这种方法仅需测量系统的失 调和未知溶液的温度。为确定该传感器引入的失调,需要一种pH 值为7的缓冲溶液。理想情况下,传感器应产生0 V输出。ADC读数 将是系统失调电压。典型pH探针传感器的失调可能高达±30 mV。

实践中常常使用另一种方法,即利用多种缓冲溶液来设置一些点 以构建一般的线性或非线性方程。在此例程中,需要两种经NIST 认证并可追溯的额外pH缓冲溶液。这两种额外缓冲溶液的pH值 至少应相差2。

通过缓冲溶液执行校准的方法如下:

  • 第1步:从第一种缓冲溶液中移出电极组件并用去离子水或 蒸馏水清洗之后,将带温度传感器的pH探针浸入所选的第 二种缓冲溶液中。
  • 第2步:重复第2步,但使用第三种缓冲溶液。
  • 第3步:根据利用所选缓冲溶液测得的值建立方程。

可利用多个数学方程导出校准方程。常用公式之一是点斜式直线 方程。此方程使用校准期间获得的两点:P1 (Vm1, pH1)和P2 (Vm2, pH2),其中P1和P2是利用所选缓冲溶液测得的点。为了确定未知 溶液的pH值,对于给定点Px (Vmx, pHx),可以利用方程进行简单的 线性插值:

“”

若有多组点,为提高精度,可使用一阶线性回归。给定n个数据 P0 (Vm0, pH0), P1 (Vm1, pH1), P2 (Vm2, pH2), P3 (Vm3, pH3), ... , Pn (Vmn, pHn), 可以利用最小二乘法建立一般方程, pHx = a + b × Vmx, 其中b为直线的斜率,a为截距,其值如下:

“”

以及

“”

最小二乘逼近法可扩展到更高阶,例如二阶非线性方程。一般二 阶方程可以表示为:pHx = a + b × Vmx + c × Vmx2。a、b和c的值可 计算如下:

“”

这个方程组可通过代入、消元或矩阵方法来求解,从而获得未知 变量a、b、c的值。

硬件设计解决方案

缓冲放大器

在此给定条件下,为使电路与该高源电阻隔离开来,需要一个高 输入阻抗、超低输入偏置电流的缓冲放大器。低噪声运算放大器 AD8603可用作该应用的缓冲放大器。AD8603的低输入电流可以 最大限度地减少流过电极电阻的偏置电流所产生的电压误差。 就25°C下串联电阻为1 GΩ的pH探针来说,对于200 fA典型输入偏 置电流,失调误差为0.2 mV (0.0037 pH)。即使在1 pA的最大输入偏 置电流下,误差也只有1 mV。虽然不一定需要,但可以利用防护、 屏蔽、高绝缘电阻支柱以及其他此类标准皮安方法来最大限度 地减少所选缓冲器高阻抗输入端的泄漏。

模数转换器

低功耗ADC适合这种应用。16位Σ-Δ型ADC AD7792支持精密测量应 用。它有一个低噪声3通道输入,当更新速率为4.17 Hz时,噪声仅 有40 nV rms。该器件采用2.7 V至5.25 V电源供电,典型功耗为400 μA,采用16引脚TSSOP封装。其他特性包括4 ppm/°C温漂(典型 值)的内置带隙基准电压源、最大1 μA的关断功耗以及内置时钟 振动器,因此所需器件数量和PCB空间得以减少。

选择RF收发器

基于前述要求, ADuCRF101最适合这种应用。

ADuCRF101是一款针对低功耗无线应用而设计的完全集成式数据 采集解决方案,工作频率范围为431 MHz至464 MHz和862 MHz至 928 MHz。它集成了通信外设,例如应用所需的两条SPI总线。片内 提供128 kB非易失性Flash/EE存储器和16 kB SRAM。它是集成微控 制器和收发器的单芯片解决方案,这使得器件数量和电路板尺 寸减至最小。

ADuCRF101直接采用2.2 V至3.3 V电压范围的电池供电,功耗如下:

  • 280 nA(关断模式,非保留状态)
  • 1.9 μA(关断模式,处理器存储器和RF收发器存储器保留)
  • 210 μA/MHz(Cortex-M3处理器处于激活模式)
  • 12.8 mA(RF收发器处于接收模式,Cortex-M3处理器处于关 断模式)
  • 9 mA至32 mA(RF收发器处于发射模式,Cortex-M3处理器处 于关断模式)

软件实现

软件是无线传输系统的关键部分之一。它决定了系统如何工作, 对系统功耗也有影响。该系统有两个软件部分,分别是协议堆栈 和应用程序堆栈。使用的协议堆栈为ADRadioNet—一种用于ISM 频段的无线网络协议。它采用IPv6地址,集合了此类解决方案需 要的大部分特性,例如低功耗、多跳、端对端应答、自愈等。应用 程序堆栈是一个通过SPI访问pH参考设计板的软件。

为了高效运行这两个软件堆栈,使用了一个简单的调度程序。一 个非抢占式调度程序处理协议堆栈任务,为其功能分配一定的时 间和资源。然而,系统中定义的任务数量是有限的。为了高效工 作,非抢占式调度程序必须在其时间消逝之前完成已定义任务的 执行。对于系统中的两个堆栈,非抢占式调度程序正合适,因为 分配给它的已定义任务数量是有限的。

结语

本文介绍了pH无线传感器监控设计方面的不同挑战和解决方 案。已经证明,ADI数据采集产品可用来应对pH测量的各种挑战。 AD8603运算放大器或任何具有高输入阻抗的同等ADI放大器,可 用来抵消传感器的高输出阻抗,从而提供足够的屏蔽,防止系统 加载。ADuCRF101数据采集系统IC可提供完整的RF数据传输解决 方案。数据采集的高精度既可利用精密放大器和ADC硬件实现, 也可通过软件校准实现,即利用数学统计建立一个一般方程,例 如各种曲线拟合法。

参考电路

1 Jenway应用笔记,Jenway高性能pH电极评估。Jenway。 Jenway

作者

Erbe D. Reyta

Erbe D. Reyta担任ADI公司Circuits from the Lab®计划的硬件应用工程师已近5年,主要从事精密系统硬件的开发。他毕业于菲律宾迪里曼大学,获电子与通信工程学士学位。目前他正在菲律宾马尼拉城市大学攻读计算机工程硕士学位。

Mark O. Ochoco

Mark O. Ochoco担任ADI公司应用开发工程师已近2年。他主要从事物联网领域的硬件和软件开发。加入ADI公司之前,他在Zilog工作了4年,担任技术支持和应用工程师,主要从事专用嵌入式片上系统(SoC)的硬件和软件支持。他毕业于菲律宾马尼拉科技大学,获电子与通信工程学士学位。

本文转载自:亚德诺半导体
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围观 31

作者:Steve Schriber

虽然我们大多数人从未见过流行文化之外的外骨骼结构,但是它们确实已经存在几十年了。第一个例子出现在19世纪末,当时开发出一款有助于跑步和跳跃的装置,采用气体动力学提供动力。20世纪60年代一些公司开发了针对军事和工业用途的可穿戴“增强”设备,但是这些设备都太笨重,非常的不实用。近些年来组件的微型化以及重量的减轻使得可穿戴外骨骼设备成为现实,例如一名曾经瘫痪的女士穿着外骨骼架构设备完成了2012年的伦敦马拉松比赛。

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外骨骼结构的分类

外骨骼结构可以分为两类:有动力驱动和无动力驱动(被动的)。无动力的外骨骼结构依靠弹簧或其他动力来源来增强人的运动能力,这些单元会重新分配负载、利用弹簧存储的能量、并在可能导致机体重复或长时间负载的情况下提供减震。有动力的外骨骼结构则是通过电动机、传感器、执行器、动力源和控制单元在增加或提供运动能力。这些动力单元接收用户输入的某一信号,分析并解释这个信号从而产生预期的运动结果。图像传感器、中央控制单元(CPU)以及执行器取代了生物系统的神经、大脑和肌肉等组织。

当前的焦点:行走辅助

现在研究工作的重点是帮助身体活动能力下降的人,给他们带来一些便利。一些公司已经在生产行走辅助外骨骼结构系统的原型,且开始小批量的生产。这些外骨骼结构通常是一套绑在使用者腿上的支架和脚踏板,执行单元由可充电电池供电。采用陀螺仪、倾斜传感器、惯性传感器和加速度传感器等提供必要的反馈,从而帮助外骨骼结构系统保持平衡和正常运行。

一家制造传感器帮助外骨骼结构保持平衡的半导体公司是ADI(亚德诺半导体)。该公司推出的iSensor MEMS陀螺仪子系统能够可靠地检测和测量一个物体在严重且复杂操作条件下的角速率变化情况。举个例子,ADI推出的ADIS1647x精密型迷你工业IMUs系统提供了一种简单的方法能够将完整的惯性系统集成到工业和移动物联网(IoMT)应用程序中,包括外骨骼结构,它可以帮助解决系统的稳定性问题。比如ADIS16477惯性测量单元(IMU)传感器采用三轴加速度传感器和陀螺仪提供六自由度的感应操作,这些组件集成在一个小型的标准封装单元内。ADIS1647x的每个惯性传感器结合了行业领先的iMEMS技术和信号调节优化动态性能。

有以下几种方法能够将用户的意图传递给外骨骼结构系统从而实现期望的效果:

  • 拐杖或手杖提供动作感应,与用户的腿部建立数据通信
  • 身体倾斜传感器接收指令,指示外骨骼结构的运动方向
  • 通过灵活的肌肉收缩肌电图描记系统(EMG)能够让用户操作外骨骼结构
  • 脑电图描记(EEG)传感器安置在一个特殊的帽子上可以监测头部神经信号,通过训练可以帮助用户产生传感器检测需要的信号,不久学习算法可能就可以感知一个人的大脑活动,从而发出运动信号

在积极引导的运动配合下,微处理器能够执行预定的动作,比如坐下,手腕上的控制面板或其他部分的电动机会被激活。行走辅助外骨骼结构可以帮助腿部丧失永久运动能力的人,或者作为一种帮助用户恢复身体能力的治疗或训练设备。

乌龟还是猫?

防止摔倒是外骨骼结构开发人员的主要目标,借助算法来检测腿部的运动状况,然后使用电动机、执行器对行走动作施加一定的力量。如果用户滑到无法避免,那么外骨骼结构必须对此作出及时的反应。研究人员和工程师们正将注意力从海龟的窘境(如图1)转移到一只猫的问题上来,这只猫总是能四脚着地。任务是确定如何明智的判断跌倒,以便可以通过简单的操作就可以站起来。行走辅助外骨骼结构有编程算法,如果失去动力它就会“优雅的崩溃”。

“图1:海龟+倒过来=麻烦,这对于笨重的外骨骼结构来说同样如此”
图1:海龟+倒过来=麻烦,这对于笨重的外骨骼结构来说同样如此

外骨骼结构系统必须能够接收指令并学习如何应对不严重的绊倒,以及在面对严重摔倒时采取最佳的姿势,正确的摔倒也是一样重要的技能,将这种技能传授给机器人外骨骼系统使得它们在现实生活中更加的实用。例如建筑工地用的外骨骼结构如果对不可避免的摔倒作到尽可能的控制,那么就不太可能造成人身伤害和财产损失。在摔倒过程中尽可能的减少损失可能会降低大量的维修费用。

外骨骼结构的其他应用

除了像步行辅助外骨骼结构这样的个人用设备之外,还有很多其他的应用,这些应用已经在现有的技术条件下实现了。想象一下一个比背包大不了多少的非常精简的外骨骼结构,通过位置传感器、运动传感器和陀螺仪能够给穿戴者提供稳定的支撑,为那些平衡不足的人提供足够的肌肉力量。工业化应用则采用一系列完整或部分外骨骼结构来减轻下腰引发的疼痛(通常是相关职业造成的)。这种通过全外骨骼结构或部分结构来降低重复运动的负担,限制了体能消耗无疑是减少工人受伤的一条途径。

随着材料和组件变得更小更轻,外骨骼结构将继续在新的应用中发挥作用。展望未来我们可能会看到第一批使用外骨骼结构来提升效率的用户,同时还可以减少各种紧急情况下存在的危险。警察甚至可能会抛弃他们的赛格威踏板车(Segway),转而使用外骨骼结构辅助设备。

原文链接:

https://www.mouser.cn/blog/exoskeletons-present-mobility-solutions-using-an-array-of-sensors

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围观 133

专注于引入新品推动行业创新的电子元器件分销商贸泽电子(Mouser Electronics) 即日起开始分销TE Connectivity (TE) 的AmbiMate MS4系列传感器模块。TE是连接和传感器领域的全球领导者,其AmbiMate传感器模块在单个印刷电路板 (PCB) 组件中集成了四个核心传感器,便于在楼宇自动化、照明和智能家居应用中轻松集成各种主机产品。AmbiMate是预制的已装配传感器模块,让制造商能够将宝贵的设计资源投入到其他重要工作中。

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贸泽备货的TE AmbiMate MS4系列传感器模块都包含运动、照明、温度和湿度传感器,并提供声音、CO2、挥发性有机物 (VOC) 传感器供选择。此系列模块拥有多个连接选项,便于在主机板上轻松集成预装配PCB。MS4系列传感器模块可共用一个共同的七位连接引脚,只需一种PCB占位即可满足所有传感器配置。

此系列传感器模块非常适合通过环境数据作出产品决策的楼宇自动化应用。例如,工程师可借助于一个或多个模块来捕获VOC和CO2浓度并评估空气质量。TE AmbiMate传感器模块集成了麦克风,可通过侦听声音增强运动检测功能。通过一组模块即可检测浓度、湿度、温度和光照度,允许楼宇控制器调整室内亮度、HVAC设备、能源管理及其他分区环境控制。

欲知更多信息,敬请访问www.mouser.cn/te-connectivity-ambimate-sensor-module

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关于TE Connectivity

TE Connectivity是全球技术和制造领导者,年销售额达130亿美元,致力于创造更安全、可持续、高效和互连的未来。75余年以来,TE的连接和传感解决方案经受严苛环境的验证,持续推动着交通、工业应用、医疗技术、能源、数据通信和家居的发展。TE在全球拥有约 78,000 名员工,其中7,000 多名为工程师,合作的客户遍及全球近150个国家。TE相信“无限连动,尽在其中”。更多信息,敬请访问www.te.com

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