从传感器AFE到支持AI的传感器控制器，安森美全链路赋能智能制造
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在《智能制造中，如何为物理AI挑选传感器》一文中，探讨了工业传感器如何作为智能制造中物理 AI 系统的神经系统发挥作用。它们可以为机器学习模型提供自主决策所需的数据。传感器的实时反馈回路使机器能够适应不断变化的条件并优化性能。本文将更深入地探讨工业传感器如何不断发展，并推动智能制造中物理 AI 的进步。
工业 4.0 和物联网趋势导致智能传感器的爆发式增长。这些传感器不仅可以用于提升生产力、保障安全和实现预测性维护，还能为质量管控、工厂升级与生产预测等方面的智能决策提供数据支持。如今的传感器不再仅限于测量数据并发送至控制器进行决策，更是能够主动优化延迟并提高工厂吞吐量。
此外，工业 5.0（即智能制造）正在向以人为本的方法发生重大转变，推动安全传感器的扩展，使人机协作成为可能，同时环境传感器的部署也能有效减少工厂对社会带来的负面气候影响。
传感器创新
为了构建传感器，系统设计人员将使用现成的 IC 来实现运算放大器 (Op-Amp)、电压基准、模数转换器 (ADC)、电源管理、中央处理器 (CPU)、接口和系统功能，这些 IC 与传感元件协同工作，将模拟信号数字化、处理数据并通过 I/O 模块将数据传送至可编程逻辑控制器 (PLC)。在一些过程自动化应用中，传感器有时还需在 ADC 与 CPU 之间、或 CPU 与接口之间施加可选的电隔离。
为降低延迟、提高精度、缩小尺寸并增强易用性，IC 供应商将特定应用的模拟与混合信号模块集成至单芯片中，包含运算放大器、电压基准、ADC 和电源管理等功能，这便是传感器模拟前端 (AFE)（见图 1）。
图1 从传感器接口到传感器控制器的演变
新兴的传感技术、更高的生产吞吐量，以及无需依赖控制器即可实现单一传感器独立决策与多传感器协同决策的能力，正在推动传感器对高精度 AFE/ADC 和微控制器的需求不断提升。同时，为了实现电力与数据通过同一根电缆或无线方式的传输，OEM 厂商也纷纷采纳全新的接口标准。最后，人工智能和机器学习（AI/ML）带来了前所未有的发展机遇，客户对此充满兴趣，但目前还未完全掌握其实际应用的方法。
90 nm 以下的新型先进 BCD（双极 CMOS DMOS）工艺将高密度、高速数字逻辑以及高功率、高精度模拟功能结合在同一 IC 上，为完全集成的传感器控制器打开了大门，使其超越传感器 AFE，甚至将处理器集成到单个芯片中。Treo 平台正是这一技术方向的典型代表。半导体工艺尺寸的缩小通常会导致栅极电压降低。对此，一些供应商在 180 nm 及以下工艺中对模拟模块使用 1.8 V 低栅极驱动电压，而这需要在芯片上使用大型噪声去耦电路，进而导致增大 IC 芯片尺寸。
与此不同的是，安森美 (onsemi) 专门为模拟电路设计了 3.3 V 栅极驱动，为数字逻辑门设计了 1.2 V 栅极驱动，从而在实现混合信号 IC 高密度、高性能和高精度的同时，避免了噪声与长期可靠性问题。
工业传感器的未来趋势
正如工业 4.0 为传感器赋予了数字化、云分析和智能化能力一样，工业 5.0 进一步推动了人与机器在工厂现场的协同交互，而这一切正由支持人工智能的传感器实现。与需要外部高端 25 TOPS（每秒万亿次运算）边缘 AI 处理器的机器视觉传感器不同，所有其他类型的传感器都需要在传感器控制器芯片内部集成 AI 和数字信号处理 (DSP) 加速器引擎。
以下是一些传感器控制器的示例：
NCS32100 电感位置传感器：NCS32100 中包含功能全面的控制器和传感器接口，在与印刷电路板传感器元件配合使用时，可实现高分辨率、高精度角度感应。NCS32100 拥有灵活的配置能力，能连接多种电感式传感器图案，并支持多种数字输出格式。相较于传统位置传感器方案，电感式检测技术具备独特优势，包括耐温性更强、机械结构更简单以及优异的抗污染能力等。该电感式位置传感器控制器通过板载 DSP 引擎中的自适应学习算法，为旋转电机编码器提供高分辨率、高精度的角度传感解决方案，性能可挑战当前的光学编码器。此外，NCS32100 还支持可编程索引、温度与电池测量功能，并可连接到外部 RS-485 驱动器，非常适合工业自动化、机器人、电机控制和伺服等应用场景。
NCV75215 超声波传感器控制器：我们的超声波传感器控制器可用于检测接近度、存在度、流量、浓度、泄漏、压力、温度和水平等参数。得益于其内置的加速器引擎，该系列产品具备非接触式检测、高分辨率等特性，可以在苛刻环境中进行测量任务。此外，该控制器在传感器清洁（超声波镜片清洗）与声学 AI 传感方面表现出众，非常适用于工业自动化、环境导航、过程控制、医疗及无损检测等应用领域。
工业传感器处于制造自动化革命的前沿，在提升生产力和效率的同时，也在为各行各业的可持续性、安全性与质量保障提供关键支持。借助安森美的 Treo 平台等新型混合信号半导体工艺，如今已能够将高速数字处理与高性能模拟功能集成于单芯片之中。我们的创新传感器产品涵盖了电感、超声波、图像、压力及生化等多种技术，从传感器 AFE 到传感器控制器，再到支持 AI 的传感器控制器，能够全面满足现代工业应用对精确可靠测量与自适应 (AI/ML) 变化工况的严苛需求。
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