• 贸泽电子开售Qorvo QPF4516B Wi-Fi 6前端模块

    贸泽电子开售Qorvo QPF4516B Wi-Fi 6前端模块

    2021年3月12日 – 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Qorvo®新品QPF4516B Wi-Fi 6前端模块 (FEM)。这是一款高度集成的5mm × 3mm FEM产品,设计用于Wi-Fi 6 (802.11ax) 应用,可显著加快无线下载/上传速度、提高数据传输容量、改善人流拥挤场所的无线网络连接质量以及延长物联网 (IoT) 客户端设备的电池续航时间,非常适合用于多种Wi-Fi 6应用,包括无线路由器、客户经营场所设备和无线接入点。 贸泽分销的Qorvo QPF4516B FEM集成了一个5.0GHz功率放大器、一个单刀双掷 (SPDT) 开关和一个带旁路的低噪声放大器。它可以支持更多的每接入点用户数、更大的每用户流量需求、更高密度的部署、更多的蜂窝数据分流,以及Wi-Fi 6应用所需的更高功率和性能。该模块的功率放大器针对5V电源电压进行了优化,可在保持高线性输出功率和高吞吐量的同时节省功耗。作为一款高性能FEM,QPF4516B可实现33dB的发射增益和15dB的接收增益,噪声系数为2dB。 QPF4516B FEM带有一个对数功率检测器,可在整个功率谱范围内进行功率控制,因而适用于使用高增益天线的应用,并且也适合不希望在实际工作中花费太多时间校准器件的终端用户。

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  • 星纵智能借助LoRa®无线技术将智慧农业转化为现实生产力

    星纵智能借助LoRa®无线技术将智慧农业转化为现实生产力

    在中国,农业作为最古老的产业之一,已有着数千年的发展历史,是我国的国民经济基础,也是中国走可持续发展战略的最根本保证。但近年来随着我国经济结构的调整,进城务工人员越来越多,导致农业劳动力日益紧缺,化肥、农药不合理使用,水资源短缺等问题突显,农业可持续发展面临严峻的挑战。如何实现农业精细化、绿色化和可持续化发展是我国乃至全球范围内亟需解决的关键问题。 中国作为世界第一人口大国,粮食安全对社会稳定有着巨大影响,数年来中央连续发布以“三农”为主题的一号文件,凸显“三农”问题的重要性,强化科技创新驱动,引领现代农业加快发展。 随着LoRa®等物联网技术日益成熟,传统农业与现代信息通信技术相结合形成智慧农业,从而实现无人化、自动化和智能化管理。据预测,到2050年,智慧农业将会把粮食产量增加70%,可有效解决全球粮食短缺问题。 厦门星纵智能科技有限公司(以下简称“星纵智能”)作为国内领先的智能物联网(AIoT)产品与解决方案提供商,以前沿的物联网通信与人工智能为技术核心,充分运用LoRa技术,推出了基于LoRaWAN®的传感器、网关、电磁阀控制器、多功能数据采集器等多款产品。这些产品已远销全球129个国家和地区,广泛应用于智慧城市、智能交通、智慧安防、智慧办公以及智慧农业等领域。 为了提高粮食质量和产量,并将农业工作者从繁重的体力劳动中解放出来,星纵智能提供了一套基于LoRa的智慧农业解决方案,可实时监测农业应用。LoRa无线传输技术凭借其低功耗、覆盖范围广、易部署等特点,以及“自组、安全、可控”的特性,使其在智慧农业场景中得到广泛应用。本文将对星纵智能LoRa解决方案在农业中的不同应用进行介绍。 · 基于LoRa的智能农业灌溉系统 农作物的生长离不开水的灌溉,然而过多或过少的灌溉都会影响其生长,而且过多的灌溉还会对水资源造成极大的浪费。星纵智能推出基于LoRa的智能农业灌溉系统,将光照、二氧化碳、土壤温湿度电导率、投入式液位等传感器以及多功能数据采集器安装在农田中,采集农作物的环境数据,并通过基于LoRaWAN®的基站网关将数据呈现在星纵云平台中,实时监测并分析农作物生长的环境状况,从而进行智能决策,提高农作物的产量。 为了科学有效地管理农业用水,星纵智能将基于LoRaWAN®的电磁阀控制器安装在水阀上,当传感器监测到土壤水分不足时,星纵云及时告警,并联动触发打开水阀开关,对农作物进行灌溉;当水分充足时,触发关闭水阀,停止灌溉。通过联动控制的智能灌溉,可以有效控制水资源浪费,同时还可降低人力成本,显著提高农作物灌溉效率。 图1:澳大利亚客户采用星纵智能基于LoRa的智能农业灌溉系统 图2:星纵智能开发的智能农业灌溉系统方案图 · 基于LoRa的智能茶厂解决方案 中国作为全球产茶大国,茶叶的生产也急需将传统技艺与现代技术相结合。在制茶的过程中,制茶环境中的温湿度和空气含氧量对于茶叶的发酵与干燥过程至关重要。在本方案中,将温湿度传感器安装于炒茶机内部不同的位置,实时监测炒茶机内部不同位置的温湿度值,实现对炒茶过程中温湿度的把控,使茶叶均匀受热,确保茶叶品质。同时将传统的含氧量传感器与温湿度传感器通过RS485与基于LoRaWAN的多功能数据采集器对接,采集茶厂的温湿度和含氧量情况。另外,通过接触式的PT100温度传感器,监测炒茶机内部中心部件的温度值,实时监测炒茶机内部的温度,避免炒茶机因为工作时间过长,引起零部件过热乃至损坏。以上采集到的数据都将通过LoRa将数据发送至网关,最后网关将数据转发到星纵云进行分析,判断当下的环境温湿度和含氧量是否适宜,以及炒茶机是否可以正常运作。 用户可通过星纵云和手机App对环境数据进行实时监测与查看,还可以在云平台设置告警值。当监测到的数据超过阈值时,星纵云将立即通过手机App和邮件推送告警信息,用户可以及时根据实际情况做出调整,在保证茶叶质量的同时还可以避免生产工艺管理不当带来的损失。 图3:采用星纵智能方案的福建三仰峰茶厂 图4:星纵智能开发的智能茶厂系统方案图 · 基于LoRa®的智慧畜牧养殖系统 畜牧业对环境有着更高的要求,温湿度、空气、光照、食物量的变化都会对畜禽的健康生长产生较大的影响。为此,星纵智能开发了一整套基于LoRa的智慧畜牧养殖解决方案,可在全面提升养殖业效率的同时,为养殖户提升经济效益。目前,这种基于LoRa的智慧养殖系统已经得到广泛的应用。 通过将星纵智能的LoRa温湿度、氨气、硫化氢、二氧化碳、一氧化碳、光照等传感器放置在畜禽舍内,可采集温湿度状况、有害气体浓度等环境数据;同时,可通过LoRaWAN®多功能数据采集器对接传统的发情监测、疫病监测等传感器,采集畜禽自身健康状况数据;另外,通过超声波测距传感器可精准测量自动喂食器的饲料塔和水塔的余量。 最终,所有这些环境、畜禽和喂养数据都通过星纵智能LoRaWAN基站网关上传到星纵云,呈现可视化可分析的管理数据。一旦监测到有任何异常数据,星纵云会立即向用户发送告警,养殖者可及时调整通风、增添饲料,保证畜禽处于健康、舒适和合理的养殖环境中。 图5:采用星纵智能提供的智慧养殖系统的荷兰养猪场 图6:星纵智能提供的基于LoRa的智慧畜牧养殖方案图 · 基于LoRa®的智慧水产养殖业解决方案 水位、水温、水质对于水产养殖至关重要。超声波测距传感器可采集水位高度,PT100温度传感器可采集水温,LoRaWAN多功能采集器可采集水质电导率、水质PH、溶解氧和氨氮等传感器数据,当水位或水温数据出现异常时会通过LoRaWAN电磁阀控制器联动水阀或水温控制设备,从而使养殖场水量充足或水温保持在合适的温度;当水质出现异常时,星纵云会立即发送告警信息,使养殖者及时做出相应的处理,确保水产品的质量和产量。 图7:水产养殖场 图8:基于LoRa的智能化水产养殖场系统图 厦门星纵智能科技有限公司总经理沈伟宏表示:“星纵智能多年来致力于智能物联(AIoT)解决方案和产品的研发与生产,通过与Semtech这样全球领先的公司合作,我们基于LoRaWAN技术,推出了多个系列的产品和AIoT解决方案。LoRa技术的低功耗、广覆盖、传输距离远、无需布线、易于建设和部署的特点完全适用于智慧农业,我们为这些方案和产品能够帮助农牧渔业者提升效率和生产更好产品而自豪。” 星纵智能基于LoRa的解决方案和产品除了在智慧农业中有广泛应用以外,它们还被广泛应用在智慧城市、智能交通、智慧安防、智能建筑和智慧办公等诸多智能领域,而且远销至欧美、亚太、中东、非洲等市场。 Semtech中国区销售副总裁黄旭东表示:“很高兴看到星纵智能推出的多款可用于智慧农业的LoRaWAN产品与解决方案,它们充分利用了LoRa物联网技术的特性,为农业提供了智能化管理,在提高农牧渔业产量的同时还节省了大量劳动力。我们将继续与生态伙伴携手努力,在智慧农业领域探索更大更广的应用发展空间。”

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  • 10 kHz MEMS加速度计,提供4 mA至20 mA输出,适合状态监控应用

    10 kHz MEMS加速度计,提供4 mA至20 mA输出,适合状态监控应用

    电路功能与优势 状态监控(CbM)是一种预测性维护方式,其利用各种传感器来评估设备随时间的运行状态。收集的传感器数据用于建立基线趋势,从而帮助诊断甚至预测故障。与传统的定期预防性维护模式相比,利用CbM可以在需要时进行维护,时间和成本都能得到节省。 振动监测是一种常见类型的CbM测量。振动趋势的变化常常是反映磨损或其他故障模式的指标。为了测量振动数据,高带宽(10 kHz或更高)、超低噪声(100 µg/√Hz或更低)MEMS加速度计是一种经济高效且可靠的选择。 有些应用将加速度计放在靠近支持电路的地方(位于同一电路板上,或位于板外并通过短电缆连接),而有些应用则要求加速度计与支持电路隔开一定距离,这会限制连接选择。MEMS加速度计的输出通常是模拟电压和/或数字式(通常使用串行外设接口(SPI)或I2C),二者都不适合驱动长电缆。虽然可以转换为高速数字接口(如USB)、低压数字信号(LVDS)或以太网,但额外的功耗、尺寸和成本使这种方案不切实际。 相比之下,模拟电流环路数据传输(如4 mA至20 mA工业标准)具有良好的抗扰度、耐受电磁干扰(EMI)环境的鲁棒性、高带宽以及长达20米的有线数据传输能力,同时电路板上只需使用几个器件。此外,几乎所有传统工业数据采集(DAQ)系统都支持4 mA至20 mA信号标准,而且该标准很容易适应现代工业4.0智能传感器节点。 图1.EVAL-CN0533-EBZ简化电路图 电路描述 图1所示电路是一个MEMS加速度计振动检测解决方案的简化示意图,其电压输出被转换为4 mA至20 mA的模拟信号。 4 mA至20 mA电流环路和接口 自1950年代以来,4 mA至20 mA电流环路一直是工业模拟信号标准。该信号标准的主要优点是信号经长电缆传输时几乎无衰减,因而在工业和工厂等易产生EMI的环境中,其鲁棒性更高。相反,如果使用电压输出,由于电缆有电阻,长电缆(大于10米)会产生压降,导致传感器数据丢失和读数不正确。 图1所示的参考设计由单轴ADXL1002 MEMS加速度计组成,其模拟电压输出由AD5749电压至电流转换器转换为4 mA至20 mA信号标准。AD5749输入(VIN)摆幅为0 V至4.096 V,而ADXL1002模拟输出电压(VOUT)摆幅为0 V至VDD,故VDD必须设置为4.096 V。因此,选择LT6654AMPS6-4.096来提供4.096 V电压,其在-55°C至125°C的温度范围内的温度稳定性为10 ppm/°C。在VOUT和VIN之间放置一个−3 dB带宽为36 kHz的2极点RC低通滤波器。此滤波器用于限制宽带噪声并衰减来自ADXL1002内部时钟的200 kHz噪声分量;根据应用的DAQ电路的采样速率和滤波特性,该噪声可能会在带内混叠。 AD5749将ADXL1002电压输出信号直接转换为4 mA至20 mA的电流输出,对印刷电路板(PCB)尺寸的影响极小,并提供高达50 kHz的带宽和良好的抗扰度。 市场上的许多4 mA至20 mA驱动器由电流输出数模转换器(DAC)组成,需要SPI或I2C外部控制器。AD5749 4 mA至20 mA驱动器还有一个优势,那就是独立工作模式(硬件模式)。 在硬件模式下,HW_SELECT引脚设置为高电平。R0至R3和RSET引脚均接低电平,以将AD5749输出范围设置为4 mA至20 mA,这意味着无需外部微控制器来配置AD5749的输出范围。为了提高输出电流在整个温度范围内的稳定性,应在REXT1和REXT2引脚之间连接一个外部低漂移电阻。 DAQ前端电路(未包括)仅需要一个电流至电压(I-V)转换放大器。互阻抗(I-V电阻)必须根据DAQ前端电路的输入范围设置。 图2显示了手动摇动时电路的电流输出(IOUT)例子(黑线)。0 g水平对应IOUT中间范围,对于4 mA至20 mA配置,其为12 mA。满量程范围(FSR)也以灰色虚线突出显示供参考。 图2.响应加速度输入的电流输出和加速度 MEMS振动传感器优势 ADXL1002 MEMS加速度计具有超低噪声,噪声谱密度为25 µg/√Hz,支持宽带运行,3 dB带宽为11 kHz,传感器谐振频率为21 kHz。 ADXL1002在温度灵敏度、直流至低频响应、相位响应(因而群延迟)、耐冲击性和恢复性方面具有卓越的性能,其噪声水平和带宽可与压电传感器媲美。 该传感器的线性(±0.1% FSR内)测量范围为±50 g,足以支持各种CbM应用。与常规压电传感器相比,易于焊接的LFCSP封装使得很容易集成ADXL1002和周围电路。 ADXL1002为CbM应用提供一种低成本、高性能、具有出色长期可靠性的传感解决方案。这些独有特性支持CbM解决方案普遍采用MEMS振动传感器,在向工业4.0迈进的过程中拓宽智能技术的应用范围。 常见变化 根据应用要求,CN-0533电路可以支持其他单轴电压输出MEMS加速度计,例如ADXL1001、ADXL1003、ADXL1004和ADXL1005。低通滤波器的截止频率根据传感器谐振频率加以选择。 将5 V电源用于ADXL1002,并使用精密分压器将输出调整至4.096 V,然后输入AD5749,该电路即可实现加速度计数据手册所述的频谱噪声水平。 电路评估与测试 以下几节简要说明如何设置电路和机械安装、读取输出的方法以及期望的结果。 设备要求 需要以下设备: • 一个4 mA至20 mA接收器(如National Instruments NI-9203)。请注意,可以用一个精确且温度稳定的电阻和一个电压DAQ系统代替电流DAQ。电阻值必须根据DAQ的输入电压范围确定。 • 电源(12 V至24 V) • EVAL-CN0533-EBZ板 • EVAL-XLMOUNT1铝制安装模块 • 振动台或振动源 • 连接器和电缆 开始使用 了解和重新创建测试设置的基本步骤如下: 1. 将三根导线焊接到EVAL-CN0533-EBZ板的VCC、IOUT和GND焊盘。 2. 将EVAL-XLMOUNT1牢固地安装到振动器或振动平台上。 3. 将EVAL-CN0533-EBZ板安装到EVAL-XLMOUNT1并注意灵敏度方向。 4. 将VCC和GND连接至电源,将IOUT和GND连接至4 mA至20 mA接收器电路。 5. 在DAQ或振动测量设备上将加速度灵敏度设置为128 µA/g(ADXL1002的灵敏度可能因器件而略有不同;ADXL1002可以利用重力场或其他参考传感器轻松校准)。 电源配置 电路电源电压范围为12 V至55 V,最大电流消耗典型值为24 mA。 测试 为了验证电路在振动测量应用中的性能,该电路在ADI公司振动实验室中进行了测试。由于振动DAQ系统输入均为电压输入,因此使用了一个50Ω温度稳定且高精度的电阻来闭合电流环路,并通过电阻的压降来间接测量电路输出。该电路通过频率响应、噪声谱密度以及冲击和群延迟来刻画。每个测试的详细信息和结果如下所述。 频率响应测量 EVAL-CN0533-EBZ连接到铝块安装界面(EVAL-XLMOUNT1),并安装到振动台上,如图3所示。振动台产生100 Hz至30 kHz的受控机械振动,并具有固定的2 g加速度幅度。然后记录电路输出和振动参考(在这种情况下为激光多普勒振动计)。绘制的频率响应如图4所示,其与ADXL1002的转换函数一致。 图3.利用EVAL-XLMOUNT1将EVAL-CN0533-EBZ安装到振动台上 图4.频率响应 在这个及任何其他高频振动测试中,机械信号路径的完整性很重要。换句话说,从信号源到传感器,振动信号必须没有衰减(由于阻尼)或放大(由于谐振)。在这个例子中,铝块(EVAL-XLMOUNT1)、四个螺钉安装座和厚PCB保证了目标频率范围内机械响应的平坦性。 噪声谱密度 图5显示了传感器在−40°C至+ 105°C的不同温度水平下的噪声密度特性。结果表明,整个温度范围内的噪声密度变化比ADXL1002传感器IC略大。噪声密度升高的原因是,ADXL1002的电源电压为4.096 V,而非5V。电源电压的这种降低使频谱噪声密度增加约20%。选择4.096 V电源作为AD5749基准电压(VREF)和ADXL1002输出电压(VOUT)的共同来源,因此不存在两个电压电平不一致而产生的转换误差。 图5.1 kHz时噪声密度与温度的关系 正弦波振动响应 图6显示了由EVAL-CN0533-EBZ采集的数据集示例,激励信号为10 kHz正弦振动,幅度为10 g(红色数据)。此测试中显示的参考传感器(图6中的蓝色数据)是激光多普勒振动计的加速度测量。EVAL-CN0533-EBZ相对于振动计的延迟约为20μs。 图6.器件对10 g加速度正弦波激励信号的响应 冲击测试 该电路还进行了冲击曲线测试(参见图7)。冲击峰值加速度为10 g,宽度为500µs,形状为方波。请注意,ADXL1002 MEMS传感器可以用欠阻尼二阶系统建模,因此预期会有输出振铃。 在这种情况下,参考传感器为压电传感器(353C23型),具有一个谐振频率,特征群延迟为4 µs。请注意,参考传感器输出与ADXL1002的输出之间存在约25 µs的相位差。因此,电路的总群延迟约为21 µs。 图7.10 g冲击曲线

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  • 提升产品设计性能,贸泽电子携手Maxim举办nanoPower技术研讨会

    提升产品设计性能,贸泽电子携手Maxim举办nanoPower技术研讨会

    2021年3月11日-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) 宣布将携手Maxim于3月18日10:00-11:30举办主题为“nanoPower技术:延长电池寿命,提高传感器性能”的在线研讨会。期间,来自Maxim的资深技术专家将向观众分享nanoPower 技术,帮助工程师加强对nanoPower技术的掌握,设计出更加智慧的产品方案。 如今,传感器在各个领域的普及程度越来越高,且每种应用使用到的传感器数量也呈指数增长。为了支持新型可穿戴、健康监护及其它智能联网设备的设计,设计师必须采取整体应用设计方法,考虑传感器的工作耗流和静态电流,并提高可靠性。电源静态电流是影响系统待机功耗的最大因素,降低IQ是为设备提供最高电源效率和最长电池寿命的有效途径。本期直播将就如何利用nanoPower技术延长电池寿命、确保传感器可靠工作、确保传感器随时就绪并开箱即用三个方面展开,让工程师迅速了解低静态电流对延长电池寿命起到的关键作用,利用nanoPower提高技术创新率。 贸泽电子亚太区市场及商务拓展副总裁田吉平女士表示:“随着科技的发展,智能手表、耳塞式耳机、健康监护、游戏控制器等多个物联网设备在市场的占有率越来越高,其内部的电源系统是否稳定对各模块的供电至关重要,在这种情况下,工程师需要掌握通过低静态电流延长电池寿命。为了让工程师 能够获得更高效的设计解决方案,贸泽电子特邀Maxim的技术专家,结合MAX17613系统保护IC和MAX17561/2/3过压和过流保护器两款产品进行nanoPower技术的探讨,帮助工程师在面对越来越趋向小型和轻量化的设计中,能够运用高效的电源管理技巧,提高设备中传感器及其他多个组件的利用率,继而为用户设计出具有出色性能的产品,全面提高用户使用体验。

    贸泽电子 技术研讨会 Maxim 贸泽电子

  • 贸泽电子发表智能革命系列,探讨AI人道应用的最新电子书

    贸泽电子发表智能革命系列,探讨AI人道应用的最新电子书

    2021年3月10日 – 贸泽电子 (Mouser Electronics) 宣布推出智能革命 系列的第三本电子书《Artificial Intelligence: Improving Harvests and the Human Experience》(人工智能:提高农业水平和人类生活质量)。这本电子书探讨了人工智能 (AI) 在农业和其他用于提高人类生活质量的特定应用中的新用途。贸泽推出的AI系列电子书是公司屡获殊荣的Empowering Innovation Together(共求创新)计划的一部分。 贸泽电子亚太区市场及商务拓展副总裁田吉平女士表示:“虽然很多人都已熟悉人工智能的一些常见用途,但世界各地的创新科学家仍在不断发掘新的应用。我们新发布的这本智能革命系列电子书将探索如何运用AI,为世界各地的人们提升生活品质。” 这本电子书的第一篇文章介绍了农民如何在AI引导下,改变其种植技术和策略。第二篇文章讲述了某个研究实验室的技术人员如何通过训练机器人,帮助自闭症儿童的故事。第三篇文章则带读者前往乌干达,了解基于AI的语音识别系统如何收听广播里的不同方言,帮助发现偏远地区的潜在危机。 自从2015年推出以来,贸泽的Empowering Innovation Together计划已成为电子元器件行业知名度和市场认可度非常高的推广计划之一。此前曾推出过引人瞩目的让创意走进现实系列,并举办过机器人、原型设计和智能城市等各种创意开发活动。

    贸泽电子 AI 智能革命 贸泽电子

  • 智能边缘第:减少洞察时间

    智能边缘第:减少洞察时间

    减少边缘节点的洞察时间可在获得数据之后尽快做出关键决定。而理论上处理能力和通信数据均不受限制,则可将所有全带宽边缘节点检测信息发送至远端的云计算服务器。此外,还可以进行大量运算,以挖掘做出明智决策所需的宝贵细节信息。然而,电池电量、通信带宽和计算周期密集型算法的局限使得我们的设想只是一种概念,而无法成为实际方案。 在这个包含多个部分的工业物联网系列文章中,我们将分解和研究大型物联网框架中边缘节点解读的基本方面:检测、测量、解读和连接数据,同时还将考虑功率管理和安全性。边缘节点所需的数据集可能只是一个离散的完整宽带信息子集。同样,数据可以根据要求进行传输。高效的超低功耗(ULP)处理也是实施任何边缘节点方案的一个关键。 智能分区模式转变 工业物联网及其前身(机对机(M2M)通信)的先锋时代在很大程度上是由云平台这一主要应用推动因素的作用定义的。智能系统的洞察力以往都只是依赖于云级能力。实际的边缘传感器装置一直以来都相对简单。然而,由于边缘节点的低功耗计算能力比云计算能力的发展更迅速,这个前提目前正在动摇。边缘节点如今具有检测、测量、解读和连接数据的能力。 智能分区模式正从连接传感器模型向智能设备模型转变,从而提供更多的可用架构选项,并允许组织部署工业物联网,以独特的方式改进其实体资产和流程。边缘计算分析(亦称为智能边缘或解读)推动着这一转变。大规模的工业物联网部署依赖于一系列安全、高效节能并且易于管理的多样化智能节点。 边缘分析 最优质的传感数据仍可边缘化,且无需细心留意边缘节点分析中应用的要求。边缘传感器装置可能会受到能源、带宽或原始计算能力的约束。这些约束条件将影响到能够将IP堆栈删减为最小闪存或RAM的协议选择。这使得编写程序充满挑战性,并且可能需要牺牲一些IP性能。 边缘处理可以是一个分析过程,除了将数据发送至远端服务器以进行云级分析,它还可以作为一种方法,用于分析接近其来源的数据。在数据链中尽早地进行实时分析边缘处理可减少下游有效负载,并缩短延迟。如果初始数据处理可以在边缘节点进行,那么就可以简化所需的数据格式、通信带宽以及最终聚集在云端网关。通过紧耦合连接至传感器的时间敏感型反馈回路可提供即时处理,从而为更有价值的明智决策作准备。 然而,这要求提前了解清楚需要获得哪些有价值的具体信息,才能从检测和测量数据中得到预期结果。此外,由于空间隔离或应用差异,也可能因边缘节点的不同而不同。事件报警、触发信号和中断检测可以忽略大部分数据,只传输需要的数据。 时间折旧 货币的时间价值是一种概念,即现在的一美元比未来某一时候的一美元更有价值。类似地,数据也存在时间常数。数据的时间价值是指在这个几分之一秒检测到的数据与从现在起一周、一天或甚至一个小时之后检测到的数据不同。此类任务关键型物联网范例有热冲击检测、气体泄漏检测或需要采取立即行动的灾难性机械故障检测。时间敏感型数据价值在解读之时开始衰减。有效解读数据和采取行动的延迟越长,决策的价值将越低。为了解决工业物联网的时间折旧问题,我们必须进一步深入了解信号链。 边缘传感器节点的处理算法可对抽样数据进行筛选、抽取、调谐和精处理,将其分解至最低要求的子集。这首先需要定义目标窄带数据。可调带宽、抽样率和动态范围有助于一开始就在硬件的模拟域中建立基准。通过使用所需的模拟设置,传感器只会检测需要的信息,并提供更短的时间常数以获得高质量的解读数据。 边缘处的数字后端处理滤波器可进一步重点关注目标数据。边缘传感器处的数据频率分析可在信息离开节点之前,并及早判定信号内容。一些高阶计算模块执行快速傅里叶变换(FFT)、有限脉冲响应(FIR)滤波并使用智能抽取,可缩小抽样数据的范围。在一些情况下,在大幅度降低数据带宽之后,只需要从边缘传感器节点处传输通过或未通过信息增量痕迹。 图1.在未使用前端滤波器或数字后端处理滤波器的情况下,可能会出现混叠。 图2.振动监控的典型信号链。 图1中,我们可以看到在未使用前端模拟滤波器或数字后端处理滤波器的情况下,抽取8次(左侧)的简单信号将混叠新的干扰信号(中间),从而使频率折叠成期望的新信号频带(右侧)。数字后端处理滤波器搭配数字信号处理器(DSP)或微控制器(MCU),同时将半带FIR低通滤波器与抽取滤波器一起使用,将能够滤除混叠的干扰信号,从而有助于防止出现这一问题。 边缘节点处理洞察力——智能工厂 领先的工业物联网应用解决方案适用于工厂机器状态监控。该解决方案的目的是在发生故障之前识别和预测机器性能问题。边缘传感器节点的多轴高动态范围加速度计用于监控工业机器上不同部位的振动位移。可以筛选和抽取原始数据,在微控制器中进行频域解读。可以处理与已知性能极限进行比较的FFT,针对下游的通过、未通过和警示警报进行测试。通过FIR滤波去除目标带宽外的宽带噪声,可实现FFT内的处理增益。 边缘节点处理是机器状态监控的一个重要组成部分。抽样数据的全带宽是实现无线网关聚集的一个重要瓶颈。要考虑到,一台机器可能配有许多传感器,并且可能同时监控数百台机器。微控制器中作出的滤波和智能决策向无线收发器提供一个低增益带宽输出,而无需在云端进行密集型滤波处理。 图2显示了一个机器状态监控的信号链,在这个信号链中加速度计传感器用于测量位移振动特征。利用边缘传感器节点处的后端处理滤波器,可通过在滤波和抽样数据后进行FFT运算,从而在目标窄带宽中完成频率分析。 在FFT计算过程中,与实时示波器一样,处理滤波器可无视时域活动,直至完成FFT。第二个线程中的另一种时域路径可能还可用于防止出现数据分析差异。 如果能够清楚目标机械特征频率,则可设计微控制器中的ADC和FFT抽样率,使最大能量适合单个直方图仓的宽度。这将防止信号功率泄漏到多个仓中,从而降低幅度测量的精度。 图3.FFT仓能源可用于触发警报。 图3为FFT的一个示例。在这个示例中,我们在边缘节点MCU中对不只一个观察的机械零件进行特定的预定区解读。在所需绿色区域中达到峰值的能量代表正常运转,而黄色和红色区域则分别表示警报和严重警报。更低的数据速率警报或触发痕迹可能会在目标区域内向系统发出偏移事件报警,而不是传全带宽传感器数据。 动态范围、标记和精度 边缘分析的计算功率有几个选项。许多选项可用于处理算法,从一个提供有限控制性能的简单MCU到更加复杂的精密片上系统(SoC) MCU,再到到功能强大的多核数字信号处理。处理内核尺寸、单核或双核操作、指令RAM缓存大小和定点与浮点需求都是典型的技术考虑。通常,需要在节点可用的功率预估和应用的计算需求之间作出权衡。 针对数字信号处理,采用定点和浮点两种格式来存储和操作以数字表示的传感器节点数据。定点是指一种数字表示方式,采用小数点后(有时候为小数点前)固定位数的数字表示。使用这种方法的DSP处理整数,例如使用最少16位的正负整数,可能有216种位模式。相比之下,浮点则使用有理数,最少可能有232种模式。与使用定点的DSP相比,使用浮点计算方法的DSP可处理更大范围的值,并能够表示非常大或非常小的数字。 浮点处理可确保能够表示更大动态范围的数字。如果需要计算大量传感器节点数据,并且在检测之前可能并不清楚确切的范围,则浮点处理就非常重要。此外,由于每一个新的计算都需要进行一次数学运算,所以计算结果必然会出现四舍五入或截断的现象。这会导致数据出现量化误差或数字信号噪声。量化误差是理想的模拟值与该值的数字表示(即最接近的舍入值)之差。这些值之间的量化差越大,数字噪声将越明显。当准确性和精度对于解读的传感器数据来说非常重要时,浮点处理则可实现优于定点处理的精度性能。 性能 固件设计师应以最有效的方式实现计算应用,因为执行操作的速度至关重要。因此,必须描述数据解读的处理需求,以便确定实现最大效率需要使用定点计算还是浮点计算。 我们可以对定点处理器进行编程,使其能够执行浮点任务,反之亦然。然而,这样做的话效率非常低,并将影响处理器性能和功率。当针对无需密集型计算算法的高容量通用应用而优化时,定点处理器的表现更加突出。相反,浮点处理器可利用专门的算法,轻松完成开发,并实现更高的整体精度。 虽然性能不是很高,但是处理器中支持的GPIO引脚数量则可作为第二个选择标准。直接支持目标传感器(例如:I2C、SPORT和UART)的相应控制界面可降低系统设计的复杂程度。内核处理时钟速度、每次执行的位数、可用于处理的嵌入式指令RAM数量以及存储器接口速度都将影响边缘节点处理的能力。实时时钟有助于对数据进行时间标记,并允许调整多个平台之间的处理。 处理计算能力通常是在MIPS或MMAC中定义。MIPS是一秒钟内可执行的百万指令数。MMAC是每秒可执行的32位单精度浮点或定点累加乘法操作次数(单位:百万)。针对16位和8位操作,MMAC性能值分别提高2倍和4倍。 安全 虽然工业物联网的安全影响着每个系统、每次传输和每个数据接入点,但是微控制器和DSP则提供内部安全特性。高级加密标准(AES)提供了一种增强有线通信线路(如UART/SPI)或无线通信线路安全性的方法。在采用无线RF通信的情况下,通过边缘节点无线电进行有效传输之前会先执行AES加密。接收节点相应地执行解密操作。电子密码模块(ECB)或密码块链接(CBC)是典型的AES模式。4通常,128位或更长位数的安全密钥是首选。真随机数发生器用作为处理器中安全计算的组成部分。后续的工业物联网文章中将进一步描述这些方案的细节,以便大家采用更加全面的安全措施。 单核或双核 对原始数据处理能力的需求终始很旺盛。高效的原始数据处理能力将更胜一筹。多核MCU和DSP可为特别受益于密集型并行处理的算法提供额外的计算能力。然而,处理异构数据的需求也在不断上升。这导致一类多核微控制器的问世,此类微控制器将两个或更多具有不同特定功能优势的内核整合在一起。一般称为异构或非对称多核设备,通常整合了两个配置完全不同的内核。 非对称MCU可整合ARM® Cortex®-M3和Cortex-M0,使用处理器间通信协议进行通信。这使M3能够重点处理繁琐的数字信号处理任务,而M0则执行密集程度较低的应用控制。5这样可以将更简单的任务分流至小型内核中处理。分区可最大化功能更强大的M3内核的处理带宽,以便进行计算密集型处理,而这是协同处理的真正核心所在。核间通信采用共享SRAM,其中一个处理器引发中断,而另一个检查。当接收处理器在响应时引发中断,就会发出报警。 异构多核MCU的另一个优势在于,它可以克服嵌入式闪存的限速问题。通过在两个小型内核中以非对称的方式对任务进行分割,可在实现内核的全部性能的同时,仍继续使用低成本嵌入式存储器。实现嵌入式闪存的成本通常决定MCU的成本,因此可有效地消除瓶颈。在可用的功率预算中平衡处理器需求是工业物联网边缘传感器节点设计的关键部分。 功率平衡 即使是在可以实现能量采集的情况下,许多工业物联网边缘传感器节点也必须能够在同一小型电池上运行多年。ULP操作将是这些节点的一个关键参数,而且必须选用能够最小化节点实际功耗的元件。 许多非常适用于工业物联网的MCU都采用ARM系列的Cortex-M嵌入式处理器,针对低功耗MCU和传感器应用。7包括针对更简单高效应用而优化的Cortex-M0+,以及需要浮点和DSP操作的高性能复杂应用的Cortex-M4。使用性能更高的处理内核可能会影响低功耗性能。 ARM CPU在代码大小、性能和效率方面提供了一个新方向。但是对于MCU在工作模式或深度睡眠模式下的实际功耗,许多超低功耗能力完全取决于MCU供应商。工作功耗深受工艺技术选择、超高速缓存和处理器整体架构的影响。MCU睡眠电流以及CPU处于睡眠模式时的可用外围功能主要受MCU的设计和架构影响。 行业联盟EEMBC制定了一些衡量基准,帮助系统设计师了解其系统的性能和能量特性,以选择最优处理器。每个器件的ULPMark™- CP评分是经过计算得出的单个数字品质因素。该套件中每个衡量基准的评分使设计师权衡并合计这些衡量基准,以满足特定的应用需求。 传感器边缘节点的功率预算将直接与其处理能力相互关联。如果功率预算无法满足边缘节点分析的处理需求,则可能需要作出权衡。性能效率会影响传感器边缘节点的电源效率。微控制器的典型能耗指标用于指定每兆赫兹计算消耗的有功电流量。例如:针对基于ARM Cortex-M3的MCU,功耗可达到数十μA/MHz。 占空比 边缘传感器节点的功耗最小化通常基于两个因素:节点在活动状态下的功耗是多少;以及为进行检测、测量和解读,节点必须保持活动状态的频率如何。这个占空比将随着节点中使用的传感器和处理器类型,以及算法需求的不同而变化。 图4.边缘传感器节点MCU的主要活动状态可能会消耗过多的功率。 在不考虑MCU功耗的情况下,边缘传感器节点的主要活动状态将消耗大量功率,并将电池供电应用的寿命减少至只有几个小时或几天。 通过分析节点内部元件的占空比,可节省大量能源,从而确保只有在必须的情况下这些元件才会处于工作状态。MCU几乎一直处于常开状态。为了使MCU能够保持对边缘传感器节点的完全控制,同时消耗尽可能少的能量,必须采用针对低能耗操作的特定架构。最小化MCU能耗就是要使MCU尽可能经常处于睡眠模式,同时在需要的时候仍能执行关键任务。 图5.将MCU主要保持在非活动状态,以便将功耗降至最小。 对于大多数非活动状态、只在短期占用时间处于活动状态的情形,使MCU在低功耗休眠模式下运行,可将边缘节点的电池使用寿命延长至许多年。 可能无需在工业物联网中使用许多边缘节点检测解决方案就可以处理连续不间断的数据流。利用中断事件阈值忽略已知的超范围条件数据,这样可降低处理功率。为了保持功率和带宽,可能需要提前了解可预测的占空比。此外,基于已检测信息状态的可变占空比可触发活动状态或降低功率状态。 微控制器或DSP的响应时间和功耗(开启和关闭状态下)是低带宽应用的重要设计依据。例如:建筑中,温度和光传感器的数据传输在静止期间可能明显减少。这不仅可以延长传感器节点的休眠时间,而且还可以大大减少信息传输。 为了实现快速反应,许多微控制器除了提供完全活动模式,还提供各种低功耗工作模式,例如:睡眠模式、灵活模式、休眠模式和完全关断模式。每种模式都将在不需要时关断各种内部计算模块,通常将电流需求改变几个数量级。为实现这一节能优势,向完全活动模式过渡需要最低有限响应时间。采用灵活模式这一混合配置时,计算内核处于睡眠模式,而外围接口仍处于活动状态。休眠模式可提供SRAM数据存储功能,并可选择允许实时时钟仍保持活动状态。 图6.详细的MCU功耗与时序图。 图6为详细的MCU功耗与时序图,显示了每种低功耗MCU模式、过渡时间和占空比的影响。当MCU处于非活动状态时,使用低功耗模式是保持在低功耗传感器节点预算范围之内的关键。 传感器融合 先进的模拟微控制器提供了一个完整的混合信号计算解决方案。配备嵌入式精密模数转换器(ADC)的前端模拟多路复用器支持更先进的传感器融合技术。在进行数字处理之前,可将多传感器输入发送至单个微控制器。片上数模转换器(DCA)和微控制器反馈至附近其他设备,可实现快速反馈回路。其他嵌入式电路模块(如比较器、带隙基准电压源、温度传感器和锁相环)为多传感器边缘节点提供额外的算法灵活性。 图7.可在单个模拟微控制器中处理多传感器信号。 多个传感器的模拟信号可发送至单个精密模拟微控制器。微控制器中的算法可通过传感器融合过程实现信息的智能组合。 室外污染监控器应用就属于此类边缘节点处理。在此类应用中,来自多个输入来源(如气体传感器、温度传感器、湿度传感器和颗粒传感器)的数据在单个处理器中融合并进行分析。通过这些信息,分析处理完毕后,即可基于只能从本地传感器节点那获知的校准和补偿信息生成污染数据。然后,可将这些经过校准的数据发送至云,以便进行历史分析。在一些情况下,可能需要进行独特的一次性调试,针对其特定的环境失调配置每个传感器节点。 ADI公司对ULP平台进行了大量投资,在传感器、处理器和节能模式的强大功能集方面均有重大改进。近期发布的ADuMC3027和ADuMC3029系列微控制器可提供26 MHz ARM Cortex-M3内核的性能,同时在活动模式下的工作电流低于38 μA/MHz,而在待机模式下为750 nA。这种高效的本地处理能力可降低系统的整体功耗,同时大大减少通过网络发送数据进行分析的需要。 ADI公司提供各种MCU和DSP引擎,有助于以智能方式捕捉和处理发送至云的物联网数据。ADuCM36x系列采用ARM Cortex-M3处理内核和集成式双核Ʃ-Δ ADC。ADI公司的SHARC® 数字信号处理器系列在许多将动态范围作为关键要素的应用中实现了实时浮点处理性能。 新一代Cortex-M33处理器基于ARMv8-M架构 ,采用可靠的TrustZone™技术,通过处理器的内置硬件保证可信应用和数据的安全。随着世界的联系变得越来越紧密,确保每个节点的安全性是促进物联网应用发展的关键。

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  • 台积电和巨头合作加速2nm工艺开发,“神秘客户”合作曝光!

    台积电和巨头合作加速2nm工艺开发,“神秘客户”合作曝光!

    近日,有媒体报道称台积电取得了2nm研发的重大突破,与3nm和5nm制程采用的FinFET架构不同,台积电的2nm制程采用了全新的多桥通道场效晶体管,又称为MBCFET架构,解决FinFET因制程微缩产生电流控制漏电的物理极限问题。 台积电正式开启2nm工艺的研发工作,并在位于中国台湾新竹的南方科技园建立2nm工厂。 至于2nm所需的技术和材料方案,台积电并没有公布,不过这么早开工,显然也是为了抢占苹果、华为这样的大客户。 目前,台积电正在准备5nm芯片组的测试产品,预计将从2020年开始大规模生产。 这意味着这些芯片组的工程样品可能在明年年中或明年左右给到供应商。据称,台积电的5nm工艺芯片尺寸缩小了45%,同时性能提升了约15%。 按照台积电给出的指标显示,2nm工艺是一个重要节点。Metal Track(金属单元高度)和3nm一样维持在5x,同时Gate Pitch(晶体管栅极间距)缩小到30nm,Metal Pitch(金属间距)缩小到20nm,相比于3nm都小了23%。 根据相关消息表示,台积电目前在4nm和3nm晶圆体技术上都有研究,而且目前芯片发展已经进入加速时代,技术方面的升级基本上已经从当初的三年换代,变成了如今的两年升级。不过台积电在芯片方面的发展一直都很稳,而且近期有消息称2nm芯片目前正在和一个神秘客户展开合作,后来根据消息表示这个“神秘客户”其实就是苹果,看来苹果这次或许会喜出望外! 众所周知,台积电(TSMC)和苹果更紧密和高效的合作,使得研发上取得了多项突破。 除了3nm以外,台积电还在研发更先进的2nm工艺。台积电透露,它们目前正在与一家重要的客户进行合作,双方将推动2nm工艺的研发量产,不出意外的话,这里台积电重要的客户应该就是苹果。 苹果近年来一直是台积电的第一大客户,对于台积电先进工艺的需求也比较大,基本上近年来旗下新机的芯片都是首发的台积电最新工艺。 目前手机开始大量使用基于5nm工艺制造的芯片,即将推出的A15 Bionic预计将使用更先进的N5P节点工艺制造,预计苹果将在2021年占据台积电80%的5nm产能。不过台积电很快将向3nm工艺推进,并且进一步到2nm工艺,这都只是时间问题。 据报道,为了更好地达成这些目标,台积电和苹果已联手推动芯片的开发工作,将硅片发展推向极限。台积电和苹果都为了同一个目标而努力,不过受益者可能不只是苹果,还有英特尔。台积电需要完成英特尔的3nm芯片订单,很可能会继续转向2nm工艺制造。 台积电也在进行相关的配套工作,为未来生产2nm工艺生产做准备,很可能在中国台湾的新竹县宝山乡作为试验和开发基地。如果一切顺利,将会在2023年试产。据了解,台积电应该已经收到了2nm芯片的订单,不过没有提及具体的客户名字,但基本可以确定苹果是其中一间。传言台积电下一阶段的3nm芯片订单势头强劲,其中苹果已占据先机获得了首批订货,新工艺会使用在iPhone、iPad和Mac产品线的芯片上,预计2022年开始量产。 在苹果开发了全新自研芯片之后,苹果和台积电之间的合作关系便越来越紧,后者的生产水平与制作工艺对于苹果而言是铺开自研芯片市场的重要组成部分,而现在有消息称,苹果似乎加大这种合作关系,以求继续推进自己在自研芯片领域的提升。 据上游产业链最新消息称,苹果计划在2021年推出的iPhone上使用台积电下一代5nm+工艺的A15芯片。 报道中提到,5nm+工艺(被称之为 N5P)是5nm工艺的“性能增强版本”,提供额外的功耗和性能改进。 如果一切顺利,那台积电最终将设立一条专门用于 2nm 芯片生产的设施,而新竹宝山则是最有可能的研发试验地点。 若台积电可在 2022 年开始大规模生产 3nm 芯片,那 2nm 的试生产或在 2023 年进行。 当然,在正式转向用于 iPhone/ iPad / Mac 的 2nm 定制芯片生产之前,台积电还需通过为各个合作伙伴完成 3nm 订单,以积累足够丰富的先进制程经验。 供应链认为,以台积电2纳米目前研发进度研判,2023年下半年可望进入风险性试产,2024年正式量产。台积电先前揭示2纳米研发生产将落脚新竹宝山,规划P1到P4四个超大型晶圆厂,占地90多公顷。 业界认为,台积电2纳米良率及效能值得期待,推出即可望获苹果、英伟达、高通、超微等大客户采用,陆续转到2纳米投片。尤其英伟达收购安谋(ARM)后,朝超级电脑、超大规模资料中心等高速运算前进,未来将更仰赖与台积电合作。 半导体制程工艺,直接决定了电子产品的性能表现和实际功耗水平。作为全球领先的半导体晶圆大厂,台积电一直致力于提升半导体工艺制程,一路狂奔,践行着摩尔定律。而这一次,它们又实现了突破。根据台湾媒体报道,台积电在2nm制程工艺方面取得了重大突破,并将于2023年下半年进行小规模试产,如无意外,2024年就可以大规模量产。与此同时,台积电还表示,在2nm之后,将继续向1nm支撑挺近。至于客户方面,包括苹果、高通、NVIDIA、AMD等都将首先应用台积电先进的2nm制程工艺,以支撑性能不断提升的各品类Soc芯片。对此,大家怎么看呢?

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  • 贸泽电子与KEMET携手发布全新电子书,介绍配电网设计新方法

    贸泽电子与KEMET携手发布全新电子书,介绍配电网设计新方法

    2021年3月9日 – 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) 与KEMET携手发布全新电子书,重点介绍配电网设计的全新技术与策略。这本电子书名为7 Experts on New Approaches for Power Distribution Network Design(7位专家联手献策:配电网设计新方法),来自KEMET、Analog Devices和Samtec等公司的优秀工程师在书中针对如何应对精密数字电路供电这一复杂问题提供了真知灼见。 随着对高密度运算设备的需求持续增长,配电网 (PDN) 必须为日益复杂的电路提供高效且可靠的电源。因此,工程师正采用新的策略、技巧和技术来克服PDN设计中的难题。KEMET和贸泽发表的全新电子书呈现了多位业界高水平工程专家对此的见解,为面临类似挑战的设计人员提供多种多样的灵感来源。 这本电子书收集了来自多位专家的观点,阐释了如何有效应对高密度设备的PDN设计需求。书中还提供了适用于PDN设计的全新KEMET产品的快捷链接和订购信息。例如,KEMET T540和T541是带有导电聚合物阴极的固态电解电容器,并可在高频率时提供极低的等效串连电阻 (ESR) 与更高的电容保持能力。 贸泽备货种类丰富的KEMET产品,包括电感器、执行器、传感器和工程套件。

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  • ADI公司电路笔记——适用于IEPE传感器的24位数据采集系统

    ADI公司电路笔记——适用于IEPE传感器的24位数据采集系统

    评估和设计支持 电路评估板 IEPE传感器DAQ测量板(EVAL-CN0540- ARDZ) 设计和集成文件 原理图、布局文件、物料清单、软件 电路功能与优势 图1所示的参考设计是一款高分辨率、宽带宽、高动态范围的、IEPE (Integrated Electronics Piezoelectric)兼容接口数据采集(DAQ)系统,其与ICP® (IC Piezoelectric)/IEPE传感器接口。IEPE传感器最常用于振动测量应用,但也有很多IEPE传感器用于测量温度、应变、冲击和位移等参数。 本电路笔记聚焦于该解决方案的振动应用,尤其是状态监控领域,但仪器仪表和工业自动化领域也有大量应用以类似方式使用IEPE传感器,并且由类似的信号链提供服务。 具体而言,状态监控使用传感器信息来帮助预测机器状态的变化。跟踪机器状态的方法有很多,但振动分析是最常用的方法。通过跟踪振动随时间的分析数据,可以预测故障或失效以及故障源。 工业环境需要稳健可靠的检测方法,这给振动检测增加了难度。了解机器的状况有助于提高效率和生产率,并使工作环境更安全。 市场上大多数与压电传感器接口的解决方案都是交流耦合式,缺乏直流和亚赫兹测量能力。 CN-0540参考设计是一种直流耦合解决方案,可实现直流和亚赫兹精度。 通过查看IEPE振动传感器在频域(直流至50 kHz)中的完整数据集,并使用快速傅立叶变换(FFT)频谱中发现的谐波的位置、幅度和数量,可以更好地预测机器故障的类型和来源。 数据采集板为Arduino兼容外形尺寸,可以直接与大多数Arduino兼容开发板接口并由后者供电。 ADI公司的Circuits from the Lab®电路由ADI公司的工程师设计构建。每个电路的设计和构建都严格遵循标准工程规范,电路的功能和性能都在实验室环境中以室温条件进行了测试和检验。然而,您需负责自行测试电路,并确定对您是否适用。因而,ADI公司将不对由任何原因、连接到任何所用参考电路上的任何物品所导致的直接、间接、特殊、偶然、必然或者惩罚性的损害负责。 图1.IEPE压电振动传感器的状态监控信号链 电路描述 图1所示电路是IEPE传感器的传感器到比特(数据采集)信号链,包括电流源、带数模转换器(DAC)的电平转换和衰减级、三阶抗混叠滤波器、模数转换器(ADC)驱动器及全差分Σ-Δ型ADC。 可编程电流源以恒定电流驱动压电加速度计。输出电流可通过外部电阻设置,根据传感器和电缆的类型,通常设置在2 mA和20 mA之间。 DAC的缓冲和放大输出以及电平转换运算放大器,将输入信号偏移至接近2.5 V共模电压(VCOM),以平衡抗混叠滤波器的输入和全差分放大器(FDA)的输入。基准电压源将FDA供电轨的第二个输入设置为VCOM的2.5 V,确保满足输入裕量要求,并且输出是为驱动ADC而优化的全差分电压。 抗混叠滤波器将信号链的带宽设置为54 kHz。压电加速度计的带宽高达20 kHz,但就相位延迟而言,选择了更宽带宽的信号链,从而在3轴测量中实现更好的相位匹配性能。(进一步的带宽限制发生在ADC的数字滤波器中,但相位延迟是已知且确定的。) ICP/IEPE加速度计 任何IEPE振动传感器都可以与CN-0540参考设计接口,因为所有IEPE振动传感器都利用相同的原理工作,但具有不同的偏移电压、噪声电平、带宽和灵敏度。IEPE输出信号既携带交流电压,也携带直流电压,其中与振动相关的交流电压被直流转换到介于7 V和13 V之间的某个电压电平。此直流电平随传感器的不同而异,并且对于任何给定的传感器,它都有相对于时间、温度和励磁电流的漂移分量。 IEPE传感器必须由电压范围足够高的电流源供电,以完全覆盖传感器的幅度。IEPE传感器的典型激励电压为24V。 信号链的输入可以接收高达10 V p-p的信号幅度,偏移电压最高可达13 V。直流失调通过施加直流失调校正信号来消除,从而允许在任意低频下工作。 图2.ICP加速度计模块连接 图2显示了一个传感器的ICP加速度计框图,其由恒流源供电并连接到直流耦合信号链。传感器的最大带宽与激励电流成正比,与电缆电容成反比。选择恒定电流电平时,必须考虑传感器的最大期望输出电压和电缆类型,可通过下式确定: 其中: fMAX为传感器的最大频率,单位为Hz。 IC为恒定电流,单位为mA。 1 mA为传感器的功耗要求。 C为电缆电容,单位为pF。 V为传感器的最大峰值电压输出,单位为V。 注意在式1中,从提供给传感器的总电流(IC)中减去了1 mA,该近似1 mA电流是用于为传感器本身供电,而其余电流则用于驱动电缆。此数字因传感器而异。 例如,此参考设计使用PCB Piezotronics生产的333B52型ICP加速度计进行了测试,最大峰值输出为10 V,电缆长度为10英尺,电容为29 pF/英尺,激励电流为2.5 mA。应用式1,传感器的最大理论带宽为82.3 kHz。电缆和所选的电流水平均未限制传感器的性能。 恒流源 设计恒流源(CCS)和考虑噪声性能时应多加注意。低电流噪声至关重要,因为当驱动信号链的输入阻抗时,电流噪声会被转换为电压噪声。 图3.恒流源 图3显示了一个2端子电流源,其电阻RSET和ROUT将输出电流设置为2.5 mA,电容CSET限制电流噪声的带宽。LT3092的内部10μA基准电流源使RSET两端保持稳定的VSET。VSET镜像到ROUT两端,根据式2设置输出电流。 请注意,由于内部基准电流从SET端子流出,因此实际的IOUT电流比式3给出的输出电流要大10μA。 数据手册建议RSET = 20kΩ,以将RSET两端的压降设置为200 mV,使失调电压的影响最小。(在较小的VSET上,失调电压更为明显。)电阻产生的白电流噪声由式3给出。 其中: T为绝对温度,单位为K。 k为玻耳兹曼常数(J/K)。 R为电阻。 电阻电流噪声与电阻倒数的平方根成正比,因此将RSET的值从建议的20 kΩ增加到120 kΩ时,ROUT也需要成比例地增加(而输出电流保持在相同水平),导致整体噪声电流下降。建议在RSET两端接一个电容CSET,用以降低RSET和LT3092内部电流基准的电流噪声。CSET电容旁路LT3092产生的电流噪声。 如图3所示,对恒流源进行了LTspice仿真,以优化元件值和布局依赖性。为了仿真Keysight E3631台式电源(其两路输出串联连接,总电压设置为26V),我们建模了一个非理想电压源,其在20 MHz带宽内具有0.7 mV rms的电压噪声和224 nA rms的电流噪声。 表1列出了不同元件值组合的均方根噪声。均方根电流噪声针对1 mHz至100 kHz的带宽进行了仿真。CCOMP的作用类似于高通滤波器,将噪声从电压源传递到输出。进一步增加RSET和ROUT有助于降低电流噪声,但也会导致电阻上的压降更高,从而降低容许的信号摆幅。 表1.降低LT3092电流噪声 1 无需元件。 当使用具有高电感的长电缆时,稳定性可能成为问题。有关补偿感性负载的更多信息,请参阅LT3092数据手册。 要计算电流源提供的可用传感器激励电压,请使用下式: 其中: VDD为恒流源的电源电压。 LT3092DROP为IC本身的压差(负载电流最高10 mA时,其通常为1.2 V)。 RSET×10μA给出电阻上的压差,其设置输出电流电平,内部10μA电流流过电阻。 在这种情况下,可用激励电压为23.6V。 电压电平转换器 电压电平转换器可承受高达13 V的传感器偏移电压,信号摆幅最高可达10 V p-p,支持市场上的大多数压电传感器。选择的是带运算放大器的反相电压电平转换器拓扑,需要一个正转换电压来降低输入电压,以适应FDA级的输入要求。 图4.反相电压电平转换器 图4显示了一个带运算放大器的反相电压电平转换器拓扑。转换电压通过下式计算: 电压转换器产生的VOUT电压设置为尽可能接近VCOM (2.5 V),以平衡下一级中FDA的输入。RF/RIN比值(运算放大器的衰减)必须遵循以下约束: • 转换运算放大器的电源电压:5 V • 转换电压范围:0 V至5 V • 运算放大器的稳定性 • ADC的满量程范围:±4.096 V • 输入信号幅度:10 V p-p • 输入直流偏移电压:最高13 V 0.3的衰减是合理的折衷方案,下一级中的较小增益可使ADC的输入幅度最大化,并提高信噪比(SNR)。请注意,电平转换器输出端的信号和噪声都会被放大,因此最大限度地降低电平转换器的输出噪声至关重要。 在CN-0540中,输入阻抗和输入噪声之间进行了折衷,输入噪声电平足够低,输入电阻则足够高,以防止引入测量误差。压电传感器一般为低阻抗输出(数百欧姆)传感器,哪怕相对较低的信号链输入阻抗(数十kΩ)也会引入不到1%的误差。作为折衷方案,选择的最终输入阻抗RIN = 50kΩ。 使用下式计算输入短路时电平转换器模块的电压噪声: 其中电阻的噪声贡献计算如下: 其中: k为玻尔兹曼常数。 T为绝对温度,单位为K。 R为电阻,单位为欧姆。 在平方之前,必须将除RIN以外的所有贡献乘以噪声增益。反相运算放大器配置的噪声增益与同相配置的噪声增益相同。 使用下式计算反相输入运算放大器的噪声贡献: 其中NG为电路的噪声增益。 电压电平转换器模块的单极点RC滤波器可限制噪声。使用下式计算电压电平转换器产生的噪声均方根值: 第一级的噪声贡献为20.8μVrms,其中最重要的噪声贡献者是RIN,这是将输入阻抗设置得足够高以使负载引起的误差最小化的结果。 直流偏置补偿技术 每个IEPE加速度计都有一定的直流偏置电压,此电压没有携带任何有用的信息,因此必须将其消除。如果信号链中使用了直流耦合,便可让输入电压直流转换以抵消直流偏置电压,使得ADC仅接收输入电压的交流部分,而没有任何直流偏移。精确的直流转换对于直流测量的精度和测量动态范围的最大化至关重要。 使用式5中的转换电压可以找到确切的转换电压。按照这种方法,必须分别为每个电路板和传感器进行不同温度下的数次测量,从而确保测量的准确性。 本电路使用了其他更精确、可靠且自动化的技术。CN-0540中采用了定制的逐次逼近算法。标准逐次逼近模型使用DAC至ADC控制环路估算未知电压电平的最终位置,而该定制逐次逼近算法试图使用DAC至ADC环路将ADC输入端的平均电压设置为尽可能接近于0。换句话说,主要目标是将FDA的两个输入设置为相同电压电平,即VCOM = 2.5V。 表2.输入偏置电压补偿过程 表2显示了使用逐次逼近算法补偿输入偏置电压的过程。由于选择了16位DAC,因此进行了16次迭代。在此过程的最开始,DAC被设置为半量程输出。每次将DAC设置为新值时,均要测量平均电压。如果平均电压为正,则将1位权重加到当前DAC输出,否则就从当前DAC输出中减去1位权重。由于输入运算放大器使用反相配置,因此该过程是相反的。 第四个DAC输出= (215 – 1) + 214 + 213 – 212 = 53,247 (11) 式11显示了加上或减去的位权重。215 − 1为初始半量程值,然后是两次向上和一次向下,意味着加上第14 位和第13 位,并减去第12 位。 由于传感器的内部结构,压电传感器本身会产生相当显著的电压噪声。传感器通电后,传感器始终会拾取环境噪声,导致更多噪声从机械环境事件转换为电压噪声。为了仅提取压电传感器的直流偏置电压,以及消除相当显著的噪声(随机噪声或周期性噪声),直流偏置补偿过程中会进行大量平均运算。 电平转换DAC 选择具有27个可选I2C地址的16位电压输出DAC (LTC2606)进行电平转换。DAC与ADC共享4.096 V基准电压。为了实现转换运算放大器的同相输入端预设的0 V至5 V完整转换电压范围,并降低DAC输出电压噪声,电路增加了一个外部缓冲器。该缓冲器具有Sallen-Key结构,截止频率为100 Hz,增益为1.22。具有增益输出的DAC的1 LSB为 从DAC到ADC输入的路径上还有其他增益。ADC输入端观测到的1 LSB变化放大4.23倍(所有增益的乘积),如下所示: 总LSBDAC = 其中,2.667是FDA的增益,1.3是转换运算放大器的增益;当将变化的信号引入同相输入端时,转换运算放大器像同相运算放大器一样工作,实际增益为1 + (RF/RIN)。式13的计算得出将传感器调整到正确电平所引起的最大理论直流误差。 表2证明,ADC转换的DAC 1 LSB约为264μV。检查最后两个ADC读数,差异仅为1 LSB,产生269μV。 图5.RMS噪声与输入偏置电压的关系 图5显示了仅将输入偏置电压施加于信号链输入端时均方根噪声如何变化。每次改变输入偏置时,DAC都会将输入调整至正确电平,确保失调误差很低。信号链的均方根噪声随直流偏置的增加而增加,因为提供直流偏置的直流校准器在较高电压输出电平下会产生更多噪声。 从图5可知,动态范围响应均方根噪声的提高,导致输入偏置电压提高,如图6所示。 图6.动态范围与输入偏置电压的关系,1 kHz 1 V p-p输入 图7显示了系统线性度与输入偏置电压的关系,使用的输入信号频率为1 kHz,幅度为1 V p-p。图7表明,输入偏置电压对线性度没有明显影响,总谐波失真(THD)保持稳定。 图7.线性度与输入偏置电压 图8显示了整个温度范围内ADC输入端预设的失调电压误差。失调误差是使用相同输入电压(10 V)在整个温度范围内运行输入偏置电压补偿程序而确定的。25°C下的测量结果定位0 V失调误差。 图8.10 V输入偏置电压在整个温度范围内的失调电压误差 如图1所示,使用了基准电压为2.5 V的基准电压芯片(ADR441A),确保VCOM稳定。此基准电压IC具有很高的温度漂移特性,在-25°C至+ 85°C的温度范围内,电压变化值为2.75 mV。此变化乘以2.667的FDA增益,导致ADC检测到7.33 mV的总温度漂移,该漂移随后由DAC予以补偿。 每次输入电压或VCOM发生变化时(VCOM仅因温度漂移而变化),DAC都会反向补偿该变化。在这种情况下,仅VCOM发生变化,输入偏置则保持稳定。ADR441A的电压漂移占主导地位,这可以从图8看出,其形状与ADR441A的电压漂移曲线相反。在指定温度范围内,数字码的总变化为32 LSB。 DAC缓冲器 DAC的内部缓冲器会限制电压噪声,必须进行滤波。由于DAC与ADC共享4.096 V基准电压,因此DAC输出也必须放大以提供0 V至5V。 图9.带缓冲器的DAC 图9显示了采用低通Sallen-key滤波器结构且具有增益输出的电平转换DAC。滤波器的截止频率通过下式设置为大约100 Hz的较低值: 由于对Sallen-key滤波器拓扑应用了一个增益,因此必须考虑滤波器的稳定性。否则,缓冲器很可能会变成振荡器。另一个与稳定性相关的因素是滤波器质量(Q),此模块必须加以考虑。Q因子应保持足够低的值(小于0.707),以确保频率响应在截止频率处没有峰化,滚降具有较和缓的斜率,而且开始频率显著早于截止频率。低Q因子适合于需要在整个频率范围内具有高线性度的应用。注意,只要Q因子变为负值,结构便变得不稳定。使用下式确定Q因子: 其中k为Sallen-key拓扑的增益,如下所示: 对于图9所示的值,截止频率为102 Hz,k为1.215,Q为0.27,稳定性和平滑滚降均有保证。 我们比较了有缓冲器和无缓冲器的DAC转换模块的噪声性能。请注意,用于该测量的信号链在输入短路时具有12.3μV rms的噪声和108.2 dB的动态范围。该均方根噪声是在64 kHz带宽下测得的。 表3显示了输出电压如何随DAC码变化。DAC输出以渐进方式设置:从零到四分之一量程、半量程,最终达到四分之三量程。在最坏情况下,DAC转换模块的噪声贡献仅为1.3μV rms。 表3.ADC测得的DAC输出的噪声比较 抗混叠滤波器和FDA 抗混叠滤波器和FDA使用差分多反馈低通结构,并将单端信号转换为差分信号。抗混叠滤波器的截止频率设置为54 kHz,这比大多数压电加速度计的带宽要宽。该滤波器在2.3 MHz时提供−80 dB的阻带抑制。 此级的增益设置为2.667,以便通过提升输入幅度来更紧密地匹配ADC输入的±VREF范围,从而改善SNR。FDA也会放大宽带噪声,但由于抗混叠滤波器会限制宽带噪声,因此性能的降低小于信号增益带来的改善。 模数转换 AD7768-1是一款精密、单通道、24位Σ-Δ型ADC,选择这款器件的原因是它具有出色的DC至204 kHz带宽精度、低功耗、108.5 dB(典型值)动态范围和−120 dB THD。 使用式17计算ADC的输出数据速率: 其中: MCLK为主时钟。 MCLKDIV为主时钟分频器系数。 FILTEROSR为所选数字滤波器的过采样率(OSR)。 时钟分频器和滤波器OSR是寄存器设置,可以通过SPI总线进行更改。有限脉冲响应(FIR)和SINC5滤波器的OSR是在AD7768-1的寄存器映射中严格设置。用户可以使用下式将特定值写入13位SINC3抽取率寄存器,从而将SINC3滤波器设置为自己偏好的OSR并更改输出数据速率: 其中,ODR为所需的输出数据速率,单位为Hz;213 为SINC3寄存器可接受的最大值。例如,对于4 Hz输出数据速率、16.384 MHz MCLK及低功耗模式(MCLK/16),SINC3寄存器值为7999。 此参考设计的默认设置针对32 kHz的ADC测量带宽进行了优化,如下所示: • 功耗模式:低功耗模式 • MCLK分频器:16 • 滤波器类型:FIR • 滤波器抽取率:32 • 输入预充电缓冲器:使能 • 基准电压缓冲器:使能预充电 • VCM引脚输出:(AVDD1 − AVSS)/2 • 转换长度:24位 • 转换模式:连续 • 校验和:无校验和 • 数据读取模式:连续 • 状态位:禁用 • DRDY信号:使能 针对低功耗、高要求的应用,两个缓冲器均可关闭。但是,缓冲器保持开启可改善整体THD和SNR。 表4.针对不同带宽的建议ADC设置 表5.信号链噪声测量 1 低纹波FIR滤波器带宽 = 0.433×ODR。 信号链的实测性能 该信号链设计针对的是中等到更宽带宽的振动检测,较高的谐波和高于1 kHz的频率成分很重要。设计必须权衡系统带宽、线性度和可实现的噪声性能。选择较高的输入阻抗以保持信号精度(线性度),在此设计中它决定了最大噪声性能极限。信号带宽也被设置得较宽,以保持系统在较高频率下的响应。使用带宽较窄的设计可以实现更低噪声解决方案,消除更多的宽带噪声。 CN-0540将模拟输入带宽设置为54 kHz,但实际信号带宽由ADC配置决定。 噪声 在几种不同情况下对整个信号链的噪声性能进行了测量。 表5详细列出了未连接任何传感器时和添加1 kΩ负载电阻时信号链的典型噪声性能。在信号链输入端连接1 kΩ电阻的结果表明,恒定电流源会影响噪声性能。电流噪声转换为电压噪声,乘以1 kΩ电阻,导致系统噪声升高。 图10显示了输入短路的系统的典型FFT图。图11显示了输入短路的直流耦合解决方案在整个温度范围内的动态范围。 图10.输入短路的直流耦合解决方案的FFT,DAC输出为半量程 图11.输入短路的直流耦合解决方案在整个温度范围内的动态范围 传感器噪声贡献 数据采集系统设计人员的常见目的是尽可能准确地捕获传感器输出信号。这在实践中意味着,系统性能应该由传感器特性设置。传感器的噪声性能常常是整体测量系统的关键限制因素之一,了解这一点有助于确定设计的性能要求。 此设计的目标是支持传感器以在大于1 kHz的带宽提供振动数据,这些传感器用于状态监控应用的数据采集系统,以对旋转式或往复式工厂设备进行预测性维护。 表6详细列出了少量振动传感器的性能水平和带宽。传感器选择的主要考虑因素通常是带宽、范围、噪声频谱密度(NSD)和功耗。 ADXL1002和ADXL1004传感器是低功耗器件,适用于功耗和带宽至关重要的各种振动应用。这些加速度计适合于连续监控应用,例如物联网(IoT)机器监控。 如需最高灵敏度和带宽(较高频率下的低噪声和灵敏度至关重要),压电传感器仍然是最适合使用的传感器。由于AD7768-1具有宽带宽和低噪声特性,因此该信号链可在超过10 kHz的较宽带宽范围内匹配典型传感器的性能水平。 对于CN-0540,系统带宽设置为54 kHz,信号链噪声性能针对的是可以在该带宽上实现>100 dB动态范围的传感器。例如,Piezotronics PCB 621B40型加速度计在30 kHz时可实现近105 dB的动态范围。 通过调整各级的电阻值和增益,并且利用AD7768-1的较高过采样模式,该电路可适用于动态范围更高、带宽更窄的传感器。完整的分析超出了本文的范围,但AD7768-1数据手册中提供了有关使用过采样时权衡动态范围和带宽的更多信息。 表6.传感器及相应的噪声密度测量结果 线性度 传感器测量系统的线性度对于确保测量结果不会因传感器输出变化而变化至关重要。测量系统的精度不应随输出偏置电压或传感器信号幅度变化而变化。理想情况下,当测量系统的温度发生变化时,精度也应保持不变。 CN-0540被设计为尽可能线性,并在整个温度范围内保持该线性度,因此对测量信号链的校准需求不多。系统对直流输入电压变化的非线性被报告为INL误差。系统对正弦波输入的非线性被报告为THD误差。 图12和图13中的数据表明:在宽输入电压范围内,直流线性度(INL)在±10 ppm以内;在宽温度范围内,INL和THD均相对平坦。 图12.不同温度下INL与输入电压的关系 图13.THD与温度的关系 交流与直流耦合解决方案 CN-0540针对的是直流耦合应用场景,其中必须保留信号的直流分量,或者必须将系统的响应保持到低于1 Hz或更低的频率。因此,该系统设计用于处理IEPE传感器的大直流偏置。 但是,某些系统可能不需要低至DC的响应,在这些情况下,交流耦合输入通道是可接受的。 两种解决方案的主要区别在于信号链的复杂性以及直流和低频时的精度。交流耦合解决方案的复杂度较低,但在低频时精度不高。 用户可以插入一个耦合电容与输入电阻串联,使该设计适应交流耦合设计。如需更多信息,请参阅设计支持包中的原理图文件。 插入耦合电容的效果是将输入响应变为高通响应,在这种情况下,通常选择远小于10 Hz的极点频率。此滤波器不仅阻隔直流偏置电流,而且会消除一些1/f噪声。交流耦合系统的动态范围似乎高于直流耦合版本,但这仅仅是由于消除了低频噪声。这样做的代价是对低频振动测量数据的灵敏度降低。 由于DAC输出以及信号链输入端缺少高通滤波器,直流耦合解决方案的噪声预期也会更高。图14显示了CN-0540交流耦合时的响应,其高通截止频率为1 Hz。测量条件如下:信号链的输入短路,使能恒流源,ADC处于低功耗模式,MCLK/16,FIR滤波器抽取率为32,直流耦合测量。 图14.输入短路的交流耦合解决方案的FFT 如果实施交流耦合解决方案,则必须选择正确的电容类型以获得最佳性能。一般而言,陶瓷电容会因为压电效应而产生噪声,因为电压系数(相对介电常数随施加的电压而变化)和电介质吸收而产生非线性。钽电容可提供合理的性能,并且可制造出宽范围的电容值,最高可达数百μF。在交流耦合情况下,钽电容可以实现的THD性能水平与直流耦合系统相似,但频率须高于10 Hz。为了准确表示更低频振动,最好选择直流耦合版本。 系统电源 CN-0540带有一个最优电源解决方案,支持通过3.3 V单电源轨为整个信号链供电。 电源解决方案 图15显示了CN-0540电源部分的简化框图。为了与具有Arduino样式连接的微控制器和其他开发板兼容,该板的电源解决方案设计为采用3.3 V单电源(通常由Arduino兼容板提供)供电。 为了确保系统的稳定性,微控制器板应能通过3.3 V电源向振动监控板供应至少250 mA的电流。这不算微控制器板本身从该电源获取的电源电流。 虽然CN-0540评估板在稳态工作时不需要250 mA电流,但在初始上电阶段,可能有高达200 mA或更高的浪涌电流并持续最长30 ms。如果微控制器板无法承受此电流,可能导致微控制器板上发生复位。如果发生意外复位,请检查微控制器板的电流输出规格。 图15.电源部分框图 电源解决方案包括三个电压域:3.3 V域、5 V域和26 V域。它还包括用于IEPE传感器的2.5 mA电流源。 Arduino兼容板提供CN-0540直接使用的IOREF电源,因此不需要电源解决方案。IOREF为AD7768-1 (IOVDD)提供数字接口电源,并为16.384 MHz主时钟源供电。 CN-0540与低至1.8 V的IOREF电压兼容,因此CN-0540板可连接至逻辑电平较低的微控制器板。 所提供的电源解决方案电路的目的是让CN-0540板可以从单个低压电源(通常由微控制器板提供)供电,并从该电源生成其他所需的电压轨。在CN-0540上,原始3.3 V输入供电轨直接用于为AD7768-1提供数字接口逻辑电源(AVDD2电源),而且还为DC-DC级提供电源,从而将电压提升至5 V和26 V。 第一个DC-DC级将3.3 V升压至7 V,然后通过LTC3459和ADP7118器件组合调节至5 V,以提供AD7768-1、LTC2606和ADR4540基准电压源以及相关放大器级所需的干净供电轨。 第二个DC-DC级将3.3 V升压至28 V,然后通过LT3494和LT3008器件组合调节至26 V。这个干净的26 V电源轨用于为LT3092电流源供电,从而为IEPE传感器提供2.5 mA电流和高达26 V的电压。 功耗测量 功耗测量直接从3.3 V和IOREF供电轨进行。因此,功耗测量包括电源解决方案元件本身的贡献。 由于恒流源,流向26 V供电轨的电流是恒定的,不会随ADC设置而变化。 系统其余部分的功耗在ADC的不同工作模式下进行了测量。信号链输入端放置了一个1 kΩ负载电阻,以为恒流源流出的电流提供一条路径,并在AD8605的输入端保持直流偏置。 功耗 ADC上影响功耗的最重要寄存器设置为 • 电源模式 • MCLK分频器 • MCLK频率 • 滤波器类型 • 滤波器抽取率 • VCM引脚输出分压器 • 模拟输入预充电缓冲器 • 基准电压缓冲 • 通用输入/输出(GPIO) 系统默认配置 对于ADC设置,针对窄带宽测量的系统默认配置如下: • MCLK分频器:MCLK/16 • 功耗模式:低功耗模式 • FIR滤波器,抽取率超过32 • VCM引脚输出:(AVSS − AVDD)/2 • 基准电压(REF)缓冲器:预充电开启 • 模拟输入(AIN)缓冲器:预充电开启 • MCLK频率为16.384 MHz • 使能FDA,低功耗模式 • 使能DAC缓冲器 • DAC输出设置为半量程 该参考设计中包含的大多数测量均使用系统默认配置。 表7.各种数据速率下的功耗 1 FDA处于全功率模式。 2 FDA处于低功耗模式。 AD7768-1上的模拟输入和基准电压输入缓冲器设置为预充电模式。ADA4945-1 FDA设置为低功耗模式。在全功率模式下,FDA可以提供更宽的带宽和更好的线性度性能。但是,由于此设计的目标带宽小于50 kHz,因此低功耗模式就够了。通过使能AD7768-1内部预充电缓冲器,可以实现更好的线性度和噪声性能,而不会显著增加系统功耗。有关匹配驱动器放大器以及使用AD7768系列的输入缓冲选项的更多信息,参见应用笔记AN-1384。 常见变化 对于更高通道数的系统,多通道AD7768和AD7768-4是AD7768-1的合适替代产品。ADC的噪声和线性度与AD7768-1相似,但这些器件的优势是可在单个芯片中提供多达8个同步通道,从而简化多通道IEPE DAQ设计的实现。 其他可以考虑用于振动和状态监控信号链的ADC有AD4000、AD4002和AD7380。 ADA4610-1适用于第一级信号调理和电平转换,但需要更高的电源电压才能正常工作。ADA4807-1和ADA4940-1是ADC输入抗混叠滤波器和驱动器级的替代产品。 ADAQ7980/ADAQ7988是16位ADC μModule®数据采集系统,ADC和ADC驱动器级以及最关键的无源元件均被集成到系统级封装(SiP)设计中。建议在尺寸或实现的简易性更为关键的场合使用这些器件。 这些方案允许根据性能(噪声或线性度)、解决方案尺寸和成本来选择信号链元件。 电路评估与测试 下面概述CN-0540电路设计的测试程序和结果的收集。有关硬件和软件设置的完整详细信息,参见CN-0540用户指南。 设备要求 需要以下设备: • EVAL-CN0540-ARDZ参考设计板 • Terasic DE10-Nano FPGA • 带有CN-0540参考软件的FPGA Linux镜像 • 带有高清多媒体接口(HDMI®)端口的显示器 • HDMI转HDMI电缆 • 带有USB加密狗的无线键盘和鼠标 • USB on-the-go (OTG)电缆(micro USB转USB) • 精密交流电源(例如,Brüel&Kjær AP2700或类似精密正弦波发生器) • 带BNC和SMA终端的同轴电缆 图16.CN-0540参考设计板的3D渲染图 开始使用 基本测试设置要求将EVAL-CN0540-ARDZ板插入支持的FGPA载板。载板需要为EVAL-CN0540-ARDZ板供电、运行嵌入式Linux镜像、捕获数据并显示数据。该软件可从ADI公司网站获得,其支持Terasic DE10-Nano和类似的Arduino兼容FPGA载板。 图17.设置框图 要测试该板的基本功能,请将精密高质量正弦波或任意波形发生器连接到EVAL-CN0540-ARDZ板的模拟输入连接器。 分步说明如下: 1. 插入Arduino接头,将EVAL-CN0540-ARDZ评估板安装到载板上(Terasic DE10-Nano),如图18所示。 图18.EVAL-CN0540-ARDZ安装在Terasic DE10-Nano载板上 2. 将同轴电缆的BNC端连接到信号源单端或不平衡输出,另一端连接到EVAL-CN0540-ARDZ模拟输入SMA连接器(参见图19)。 图19.同轴电缆连接到CN-0540模拟输入连接器的特写照片 3. 将ADI FPGA Linux镜像加载到micro SD卡上。 4. 配置micro SD卡以对CN-0540和载板使用正确的文件。 5. 将HDMI电缆从Terasic DE10-Nano连接到显示器。 6. 将USB OTG电缆连接到Terasic DE10-Nano上的micro USB端口,然后插入无线鼠标/键盘的USB加密狗。 7. 使用所提供的电源,将管式插孔连接到DE10-Nano,然后接通Terasic DE10-Nano电源开关。 8. 按照如下步骤开启正弦或任意波形发生器的电源: a. 将信号类型设置为正弦波。 b. 在1 kHz下将电平设置为1 V p-p。 c. 使能输出。 9. 运行该软件并捕获生成的ADC数据和FFT数据。 图20和图21中的两幅图显示了按照步骤1至步骤9所述进行配置时载卡的预期典型捕获结果。图20显示了ADC捕获数据的时域视图,说明了多个样本的预期幅度。 图20.时域数据 图21显示了经过处理后显示为频域FFT图的相同数据。 图21.所捕获数据的FFT 有关硬件和软件设置的更多信息,请参阅CN-0540用户指南以了解详情。 压电加速度计传感器结果 为了实现合理的噪声测量,必须让压电加速度计保持稳定——要么使用主动振动台来抵消环境振动,要么将其固定在大型物体上以减少从环境中拾取的振动。在压电加速度计直接连到信号链输入端的场合,使用了固定到大型物体的方法。所用传感器为Piezotronics PCB 333B52型3 kHz传感器。 图22显示了连接传感器时获得的FFT的比较性能图。系统的噪声主要由传感器信号决定。 图22.连接有无源稳定压电传感器的直流耦合解决方案的FFT

    ADI 数据采集 ADI IEPE传感器

  • Teledyne DALSA的Linea HS 32K TDI相机在国际光学工程学会上荣获棱镜奖

    Teledyne DALSA的Linea HS 32K TDI相机在国际光学工程学会上荣获棱镜奖

    加拿大滑铁卢,2021年3月3日——作为一个Teledyne Technologies公司,Teledyne Imaging的子公司Teledyne DALSA高兴地宣布,其电荷域 CMOS TDI相机Linea HS 32K TDI在国际光学工程学会上荣获质量控制类棱镜奖。 Teledyne DALSA线扫描系列产品的高级产品经理Xing-Fei He表示:“我们很高兴Linea HS 32K TDI相机得到认可,获得‘市场上最好的光学和光子学产品’这一殊荣。在Teledyne,我们努力提供能够在工业应用中发挥作用并提高质量的解决方案。” Linea HS 32k TDI相机使用带有独特的像素偏移设计的超级分辨率技术,此技术正在申请专利。该相机可以捕获32768像素的数据,这使得用户可以在使用现有的光学镜头和采光的同时,大大提高亚像素缺陷的可检测性。这一新技术大大降低了系统层面的成本。 Teledyne Imaging由隶属于Teledyne集团下一些在技术上处于领先地位的公司组成。Teledyne Imaging凭借数十年的经验,在光谱领域形成了许多无与伦比的专业技能。每个公司不仅独自提供一流的解决方案,而且相互团结并利用彼此优势,提供世界上最深、最广的成像及相关技术系列产品。从航空航天到工业检查、科学研究、光谱学、射线照相、放射疗法、地理空间测量以及先进的MEMS和半导体解决方案,Teledyne Imaging在全球范围内提供客户服务和专业技术,应对最艰巨的任务。它们采用的工具、技术和视觉解决方案旨在为客户提供独特的竞争优势。 所有商标均由各子公司注册。 Teledyne Imaging保留随时进行更改的权利,恕不另行通知。

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  • Teledyne Imaging 亮相 Vision China 2021

    中国上海,2021 年 3 月 16 -- Teledyne Imaging 将于 3 月 17 至 19 日期间在上海新国际博览中心举行的中国国际机器视觉展览会暨机器视觉技术及工业应用研讨会(Vision China Shanghai 2021)参展,展位为 W1 号展厅,W1-1800。 欢迎莅临 Teledyne Imaging 的联合展位, 参观者有望目睹一系列针对视觉检测、物流、机器人技术及包装应用的线扫描和面阵扫描传感器、图像采集卡、视觉系统、软件和智能相机。亮点如下: 1. 线扫描相机和嵌入式视觉 · 业内首创 Multifield™ CMOS TDI 相机,Teledyne DALSA 的新型 Linea HS 可一次扫描中采集明场、暗场和背光图像。与 Xtium™2 CLHS 高性能图像采集卡结合使用时,这些型号可实现无以伦比的数据吞吐量。 · Linea Lite 是 Linea 最新加入的一个系列,Linea Lite 包装虽小,但却能提供较高性能。 · Z-Trak 3D 扫描仪的精选“在线演示”支持多达 16 个 3D 传感器,有助于使用激光三角测量和稳健的在线测量去除遮掩并提供实时高度测量。 · Sherlock8 - 下一代视觉应用软件支持 1D、2D、3D 和热感相机。包括支持“基于规则”和“基于学习”的 AI 深度学习 视觉工具、并行处理、工厂协议及自定义用户界面。 · VICORE – 新一代智能相机系统支持高达 25M。VICORE 系统设有集成软件、I/O、PLC 支持,并可处理传统的 2D 和 3D 及红外检测。 · BOA Spot-XL – 新型智能传感器简单易用,并包含测量、缺陷检测和机器人指导以及产品识别 (1D/2D/OCR) 等所有视觉功能。 2. 智能传感器 · Teledyne e2v 的 Emerald™ 67M 图像传感器 实现了电子产品检测、高端监控和航空成像的超高分辨率。其 8K 平方分辨率及其高帧速率,使吞吐量和检测率得以提高。 · 新型高分辨率 Hydra3D™ 飞行时间 CMOS 图像 专为 3D 检测和距离测量所定制。它拥有尖端的 10 µm 三抽头像素,并支持最新的工业应用,包括视觉引导机器人技术、物流以及自动导引车。 3. sCMOS 相机 · Teledyne Photometrics 拥有其最新的背照式 sCMOS 相机 Prime BSI Express 和 Kinetix。既能实现 95% 的量子效率、低读取噪声,又能实现极高速度(Prime BSI Express 为 95 fps,Kinetix 为 500fps,全帧)。 · Prime BSI Express 相机的小巧外形和 USB 接口使其能适应最广泛的配置。 · Kinetix 相机的 1000 万像素传感器提供 29.4 mm 的视野范围,为新发现带来无限可能。 4. 面扫描相机 · Teledyne 的首创 CXP 相机,专门针对性能而设计,以 Genie Nano 久经考验、业界领先的声誉为基石。 · Teledyne Lumenera 的新型 Lt 系列相机提供板级和封闭版本的高性能 USB3 机型(200 万至 2000 万像素范围内)。 主题内容专家将随时就产品开发计划及先进技术展开讨论,为您的视觉挑战提供技术支持。

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  • 中芯国际巨资买ASML光刻机,那么7nm能否顺利试产呢?

    中芯国际巨资买ASML光刻机,那么7nm能否顺利试产呢?

    此前2020年11月,中芯国际的11家子公司被美国列入了禁令,这些公司被禁止使用更加先进的美国技术。这意味着 美国出口商必须申请许可证才能向该公司销售产品。但中芯国际可以购买荷兰阿斯麦公司的光刻机一事,表明美国开始允许使用美国技术的公司向中芯国际出口产品,因为阿斯麦公司虽然不是美国的公司,但使用的是美国技术。 3月3日,中芯国际发公告称,该公司与荷兰半导体设备供应商阿斯麦(ASML)签订了一份高达约12亿美元的购买单。根据经修订和重述的批量采购协议,期限延长一年,至2021年12月31日。不仅如此,中芯国际这段时间不断传来好消息,首先是获得了美国部分设备供应商的许可,这些供应商能够顺利向中芯国际出货成熟工艺的产品。对中芯国际恢复生产是有巨大帮助的。 中芯国际已经掌握了成熟的芯片制造工艺,达到了14nm的量产水平。不过14nm并不是终点,中芯国际已经在上海,北京建设12英寸晶圆厂,为将来迈向更先进的制程做准备。 最近有一个好消息来临,我国中芯国际购买了一套世界顶级的EUV光刻机,该机器来源于荷兰的ASML,ASML是目前世界上唯一一家能够生产出高端光刻机的厂商,EUV也是目前最先进的光刻机,它能够生产出7nm以下的设备,它的光线波长可以达到普通设备的十五分之一,因此也可以蚀刻更加精细的半导体电路,如果没有EUV,我们的芯片研发将可能会寸步难行,因为它是制造高端芯片的重要设备。 前不久中,路透社援引数据称,2020年ASML的销售额达到140亿欧元(约合1092亿元人民币) ,中国大陆市场占17%。去年5月,ASML在无锡高新区内扩建升级ASML光刻设备技术服务(无锡)基地。此前,ASML已在北京、上海、深圳、无锡等地开设分公司为客户提供服务和咨询,其中深圳是其在亚洲最大的软件研发中心。此次采购协议提到的DUV光刻机可生产 7nm及以上制程芯片,曾在2020年11月举行的第三届中国国际进口博览会上展示。 被誉为“半导体工业皇冠上的明珠”的光刻机,是整个芯片生产制造环节最核心的设备,但在全球范围内,单是日本的尼康、佳能和荷兰的ASML三家企业,便占据了光刻机市场90%以上的份额,其中最高级的极紫外线光刻机(EUV)更是只有ASML一家有,这便造成一个不争的事实——光刻机成为了我国实现芯片国产化的关键制约因素。据悉,早在2018年初,中芯国际便向ASML订购了一台价值1.2亿美元的EUV光刻机,按照订购协议,ASML本应2019年完成交付、2020年完成安装,但由于种种因素影响,这台EUV光刻机至今仍处于“未出库”状态。 兴失去了美方提供这一消息让不少人以为EUV光刻机也能出货了,并不是。针对这一传闻,ASML做出了解释,称与中芯国际签订的购买协议只和DUV光刻机技术有关,卖给中芯国际的也是DUV光刻机,而非EUV光刻机。 中芯国际联席CEO梁孟松曾透露出重要信息,称其带领团队从28nm攻克到了7nm,今年4月份将准备试产7nm。 这一消息的传来让人们认识到,我国已经开始接触高端7nm芯片了。虽然是试产,但如果完成试产的话,对将来进入到量产阶段是非常重要的。那么7nm能否顺利试产呢? 众所周知,半导体技术,也让中兴几乎面临倒闭,中兴事件后也让很多国内手机厂商清醒了过来,都纷纷开始研发自己的芯片和操作系统,其中华为就拥有了自己的7nm芯片,不过设计芯片和制造芯片并不是一回事,华为的芯片还需要让台积电来代工。 尽管如此,中芯国际依然表示将会尽最大努力,携手全球产业链伙伴,保证公司生产连续性及扩产规划不受影响。现在来看,短期之内我国相关企业仍需刻苦努力,争取在工艺上获得更大突破,依赖别人仍不是最佳途径。 台积电与美国高通在近期也放出消息,在2021年年底或2022年,台积电将采用4纳米工艺为高通制造新的芯片——骁龙X65,致力于抢占5G市场。与此同时,台积电的2纳米先进制程研发上也取得了重大突破,已成功找到路径,将切入环绕式栅极(GAA)技术。近期全球芯片短缺现象比较严重,加上中芯国际已实现了14nm工艺的量产,在这样的背景下,能获得12纳米级以上工艺的光刻机并不是特别出人意料的事件。 现在全球市场上的汽车芯片非常缺货,而汽车用的普遍是28nm的芯片,很多传统芯片和传统制程也是需要的。“中芯国际可能成为全球半导体短缺的大赢家。”美国CNBC网站本周报道称,当前包括汽车行业在内的许多制造行业都面临全球性芯片短缺问题,很多行业并不需要最先进的芯片制造工艺,即使中芯国际使用较老的技术,也有可能参与进来填补这一巨大的需求。

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  • 贸泽电子发布全新RISC-V资源页面

    贸泽电子发布全新RISC-V资源页面

    2021年3月5日 – 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) 推出专门介绍开源指令集架构 (ISA) 的全新RISC-V资源页面。工程师和设计人员如需了解此综合性页面,可访问贸泽电子相关网站。 RISC-V因为不受专有体系架构标准的限制,在体系架构上为可扩展软硬件提供了非常大的自由度。开源ISA是5G、人工智能和物联网 (IoT) 等创新技术持续发展的关键因素。RISC-V得到了以分享开源创意为共同理念的全球性社区的支持。 贸泽的新RISC-V资源网站提供了一系列关于该技术的创新应用文章,例如连接互联网的AI面部检测、开源安全性和灵活的处理器设计。该网站还探讨了RISC-V开发中使用的一些关键策略,并提供了RISC-V开发套件的视频和产品信息。 贸泽提供了多种基于RISC-V的设备,包括Microchip Technology PolarFire SoC FPGA Icicle套件,一种能够为工业自动化、物联网设备和汽车等应用提供可靠计算的低成本平台;以及Terasic Technologies T-Core FPGA MAX 10开发板,一个支持协议桥接、模数转换和电机控制驱动的强大硬件设计平台。

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  • 嵌入式微控制器应用中的无线(OTA)更新:设计权衡与经验教训

    嵌入式微控制器应用中的无线(OTA)更新:设计权衡与经验教训

    摘要 许多嵌入式系统部署在操作人员难以或无法接近的地方。物联网(IoT)应用尤其如此,这些应用通常大量部署并且电池寿命有限。实例包括监控人员或机器健康状况的嵌入式系统。这些挑战加上快速迭代的软件生命周期,导致许多系统需要支持无线(OTA)更新。OTA更新用新软件替换嵌入式系统的微控制器或微处理器上的软件。虽然很多人非常熟悉移动设备上的OTA更新,但在资源受限的系统上设计和实施会带来许多不同的挑战。本文将介绍针对OTA更新的若干不同软件设计,并讨论其优缺点。我们将了解OTA更新软件如何利用两款超低功耗微控制器的硬件特性。 构建模块 服务器和客户端 OTA更新用新软件替换器件上的当前软件,新软件以无线方式下载。在嵌入式系统中,运行此软件的器件通常是微控制器。微控制器是一种小型计算器件,其存储器、速度和功耗均很有限。微控制器通常包含微处理器(核心)和用于执行特定操作的数字硬件模块(外设)。工作模式下典型功耗为30μA/MHz至40μA/MHz的超低功耗微控制器是此类应用的理想选择。使用这些微控制器上的特定硬件外设并将其置于低功耗模式,是OTA更新软件设计的重要组成部分。图1显示了一个可能需要OTA更新的嵌入式系统实例。可以看到,一个微控制器与无线电和传感器相连,这可用在物联网应用中,利用传感器收集有关环境的数据,并利用无线电定期报告数据。系统的这一部分称为边缘节点或客户端,是OTA更新的目标。系统的另一部分称为云或服务器,是新软件的提供者。服务器和客户端利用收发器(无线电)通过无线连接进行通信。 图1.示例嵌入式系统中的服务器/客户端架构 何为软件应用程序? OTA更新过程的大部分操作是将新软件从服务器传输到客户端。软件从源格式转换为二进制格式之后,作为一个字节序列进行传输。转换过程会编译源代码文件(例如c、cpp),将其链接成一个可执行文件(例如exe、elf),然后将可执行文件转换为可移植的二进制文件格式(例如bin、hex)。概言之,这些文件格式包含一个字节序列,此字节序列属于微控制器中存储器的特定地址。通常,我们将通过无线链路发送的信息概念化为数据,例如更改系统状态的命令或系统收集的传感器数据。就OTA更新而言,数据就是二进制格式的新软件。在很多情况下,二进制文件非常大,无法通过单次传输从服务器发送到客户端,这意味着需要将二进制文件放入多个不同的数据包中,此过程称为“分包”。为了更好地说明此过程,图2演示了软件的不同版本如何生成不同的二进制文件,从而在OTA更新期间发送不同的数据包。在这个简单例子中,每个数据包包含8字节数据,前4个字节表示客户端存储器中用来存储后4个字节的地址。 主要挑战 基于对OTA更新过程的这种高层次描述,OTA更新解决方案必须应对三大挑战。第一个挑战与存储器有关。软件解决方案必须将新软件应用程序组织到客户端器件的易失性或非易失性存储器中,以便在更新过程完成时可以执行它。解决方案必须确保将前一版本的软件保留为后备应用程序,以防新软件出现问题。此外,当复位和断电重启时,我们必须让客户端器件的状态——例如当前运行的软件版本以及它在存储器中的位置——保持不变。第二大挑战是通信。新软件必须以离散数据包的形式从服务器发送到客户端,每个数据包都要放在客户端存储器中的特定地址。分包方案、数据包结构和数据传输协议必须在软件设计中考虑周全。最后一个主要挑战是安全性。当新软件以无线方式从服务器发送到客户端时,我们必须确保服务器是可信任方。这种安全挑战称为身份验证。我们还必须对新软件进行模糊处理以防观察者偷窥,因为其中可能包含敏感信息。这种安全挑战称为保密。安全性的最后一个要素是完整性,即确保新软件在通过无线方式发送时不会损坏。 图2.软件应用程序的二进制转换和分包过程 第二阶段引导加载程序(SSBL) 了解引导序列 主引导加载程序是一种软件应用程序,永久驻留在微控制器的只读存储器中。主引导加载程序所在的存储区域称为信息空间,有时用户无法访问。每次复位都会执行该应用程序,一般完成一些必要的硬件初始化,并且可能将用户软件加载到存储器中。但是,如果微控制器包含片内非易失性存储器(如闪存),则引导加载程序不需要进行任何加载,只需将控制权转移到闪存中的程序即可。如果主引导加载程序不支持OTA更新,则必须有第二阶段引导加载程序。与主引导加载程序一样,SSBL会在每次复位时运行,但将实施OTA更新过程的一部分。此引导序列如图3所示。本节将说明为什么需要第二阶段引导加载程序,并解释如何指定此应用程序的作用是一个重要设计权衡。 经验教训:务必有一个SSBL 从概念上讲,省略SSBL并将所有OTA更新功能放入用户应用程序似乎更简单,因为这样的话,OTA过程可以无缝利用现有的软件框架、操作系统和设备驱动程序。图4显示了一个选择此方法的系统的存储器映射和引导序列。 应用程序A是部署在现场微控制器上的原始应用程序。此应用程序包含OTA更新相关软件,当服务器请求时,利用该软件可下载应用程序B。下载完成且应用程序B经过验证之后,应用程序A将对应用程序B的复位处理程序执行分支指令,以将控制权转移给应用程序B。复位处理程序是一小段代码,用作软件应用程序的入口点,并在复位时运行。在这种情况下,复位是通过执行一个分支来模拟,这相当于函数调用。这种方法有两大问题: ► 许多嵌入式软件应用程序采用实时操作系统(RTOS),其允许将软件拆分为多个并发任务,每个任务在系统中具有不同的职责。例如,图1所示的应用程序可能有用于读取传感器的RTOS任务,对传感器数据运行某种算法的RTOS任务,以及与无线电接口的RTOS任务。RTOS本身始终处于活动状态,负责根据异步事件或特定的基于时间的延迟切换这些任务。因此,从RTOS任务分支到新程序是不安全的,因为其他任务会在后台继续运行。对于实时操作系统,终止某个程序的唯一安全方法是通过复位。 图3.使用SSBL的存储器映射和引导流程示例 图4.没有SSBL的存储器映射和引导流程示例 ► 基于图4,上述问题的解决办法是让主引导加载程序分支到应用程序B而不是应用程序A。但在某些微控制器上,主引导加载程序总是运行具有中断向量表(IVT)的程序;IVT是应用程序的一个关键部分,描述中断处理函数,位于地址0。这意味着必须以某种形式重定位IVT,使其复位映射到应用程序B。如果在IVT重定位期间发生断电重启,则系统可能会处于永久破损状态。 将SSBL固定在地址0可以解决这些问题,如图3所示。SSBL不是RTOS程序,因此可以安全地分支到新应用程序。地址0处的SSBL的IVT永远不会重新定位,所以不必担心断电重启会将系统置于灾难性状态。 设计权衡:SSBL的作用 我们花了很多时间讨论SSBL及其与应用软件的关系,但SSBL程序有何作用?至少,该程序必须确定当前应用程序是什么(其开始位置),然后分支到该地址。微控制器存储器中各种应用的位置一般保存在目录(ToC)中,如图3所示。这是持久内存中的一个共享区域,SSBL和应用软件均利用它来相互通信。当OTA更新过程完成时,新的应用程序信息会更新ToC。OTA更新功能的某些部分也可以被推送到SSBL。开发OTA更新软件时,确定推送哪些部分是重要的设计决策。上述最小SSBL将非常简单,易于验证,并且在应用程序的生命周期中很可能不需要修改。但是,这意味着每个应用程序都要负责下载和验证下一个应用程序。这可能导致无线电堆栈、设备固件和OTA更新软件的代码重复。另一方面,我们可以选择将整个OTA更新过程推送到SSBL。在这种情况下,应用程序只需在ToC中设置一个标志以请求更新,然后执行复位。SSBL随后执行下载序列和验证过程。这将最大限度地减少代码重复并简化应用专用软件。然而,这会引入一个新的挑战,那就是可能需要更新SSBL本身(即更新更新代码)。最终,决定SSBL中放置哪些功能将取决于客户端器件的存储器限制、下载的应用程序之间的相似性以及OTA更新软件的可移植性。 设计权衡:缓存和压缩 OTA更新软件中的另一个关键设计决策是在OTA更新过程中如何组织存储器中传入的应用程序。微控制器上通常有两类存储器:非易失性存储器(例如闪存)和易失性存储器(例如SRAM)。闪存用于存储应用程序的程序代码和只读数据,以及其他系统级数据,例如ToC和事件日志。SRAM用于存储软件应用程序的可修改部分,例如非常数全局变量和堆栈。图2所示的软件应用程序二进制文件仅包含非易失性存储器中存在的程序的某些部分。在启动例程期间,应用程序将初始化属于易失性存储器的部分。 在OTA更新过程中,每次客户端器件从服务器收到一个包含该二进制文件一部分的数据包时,便会将其存储到SRAM中。该数据包可以是压缩的,也可以是未压缩的。压缩应用程序二进制文件的好处是文件会变小,从而要发送的数据包会减少,下载过程中存储数据包所需的SRAM空间相应地减小。这种方法的缺点是压缩和解压缩会增加更新过程的处理时间,并且必须在OTA更新软件中捆绑压缩相关代码。 新应用软件属于闪存,但在更新过程中到达SRAM,因此OTA更新软件需要在更新过程中的某个时刻执行对闪存的写操作。暂时将新应用程序存储在SRAM中的操作称为缓存。概言之,OTA更新软件可以采取三种不同的缓存方法。 ► 不缓存:每次包含新应用程序一部分的数据包到达时,便将其写入闪存中的目标位置。这种方案非常简单,可以最大限度地减少OTA更新软件中的逻辑数量,但要求完全擦除新应用程序对应的闪存区域。此方法会消磨闪存并增加开销。 ► 部分缓存:保留一个SRAM区域用于缓存,当新数据包到达时,将其存储在该区域中。当该区域填满时,将数据写入闪存以清空该区域。如果数据包无序到达或新应用程序二进制文件中存在间隙,这种方案可能会变得很复杂,因为需要一种方法来将SRAM地址映射到闪存地址。一种策略是让缓存充当闪存一部分的镜像。闪存被划分为若干称为页面的小区域,这是可供擦除的最小区域。得益于这种自然划分,一个好办法是在SRAM中缓存闪存的一页,当其填满或下一数据包属于其他页面时,便将该页写入闪存以清空缓存。 ► 完全缓存:在OTA更新过程中将整个新应用程序存储在SRAM中,只有从服务器完全下载好新应用程序之后才将其写入闪存。这种方法克服了前述方法的缺点,写入闪存的次数最少,OTA更新软件无需复杂的缓存逻辑。但是,这会限制所下载新应用程序的大小,因为系统的可用SRAM量通常远小于可用闪存量。 图5.使用SRAM缓存闪存的一页 图5显示了OTA更新过程中的第二种方案——部分缓存,来自图3和图4的应用程序A所对应的闪存部分被放大,并且显示了用于SSBL的SRAM的功能存储器映射。示例闪存页面大小为2 kB。最终,此设计决策将取决于新应用程序的大小和OTA更新软件容许的复杂度。 安全和通信 设计权衡:软件与协议 OTA更新解决方案还必须解决安全和通信问题。如图1所示,许多系统会在硬件和软件中实现通信协议,以支持系统的普通(非OTA更新相关)操作,例如交换传感器数据。这意味着服务器和客户端之间已经建立了(可能是安全的)无线通信的方法。类似图1所示的嵌入式系统可以使用的通信协议有低功耗蓝牙® (BLE)或6LoWPAN等。有时候,这些协议支持安全性和数据交换,OTA更新软件在OTA更新过程中可以利用。 OTA更新软件中必须构建的通信功能量最终将取决于现有通信协议提供的抽象程度。现有通信协议具有用于在服务器和客户端之间发送和接收文件的工具,OTA更新软件可以简单地将该工具用于下载过程。但是,如果通信协议较为原始,只有发送原始数据的工具,那么OTA更新软件可能需要执行分包处理,并提供元数据和新应用程序二进制文件。这也适用于安全挑战。如果通信协议不支持,OTA更新软件可能要负责对无线保密发送的字节进行解密。 总之,在OTA更新软件中实施哪些功能,例如自定义数据包结构、服务器/客户端同步、加密和密钥交换等,将取决于系统的通信协议提供了什么内容以及对安全性和稳健性的要求。下一节将提出一个完整的安全解决方案,其解决了之前介绍的所有挑战,我们将展示如何在此解决方案中利用微控制器的加密硬件外设。 解决安全挑战 我们的安全解决方案需要让新应用程序以无线方式保密发送,检测新应用程序中的任何损坏,并验证新应用程序是从受信任的服务器而不是恶意方发送的。这些挑战可通过加密操作来解决。具体而言,该安全解决方案可以使用两种加密操作:加密和哈希处理。加密使用客户端和服务器共享的密钥(密码)来对无线发送的数据进行模糊处理。微控制器的加密硬件加速器可能支持的特定加密类型是AES-128或AES-256,具体取决于密钥大小。除了加密数据,服务器还可以发送一个摘要以确保没有损坏。摘要通过对数据包进行哈希处理来生成,这是一种用于生成唯一代码的不可逆数学函数。在服务器产生消息或摘要之后,如果其任何部分遭到修改,比如在无线通信期间有一位发生翻转,则客户端在对数据包执行相同的哈希函数处理并比较摘要时,会注意到此修改。微控制器的加密硬件加速器可能支持的特定哈希处理类型是SHA-256。图6显示了微控制器中的加密硬件外设的框图,OTA更新软件驻留在Cortex-M4应用层中。此图还显示了其支持将受保护密钥存储在外设中,OTA更新软件解决方案可以利用这一点来安全存储客户端密钥。 图6.ADuCM4050上的加密加速器的硬件框图 解决身份验证这一最终挑战的常见技术是使用非对称加密。对于此操作,服务器会生成一个公钥-私钥对。私钥只有服务器知道,客户端知道公钥。服务器使用私钥可以生成给定数据块的签名,例如要无线发送的数据包的摘要。签名被发送给客户端,后者可以使用公钥验证签名。这样,客户端就能确认消息是从服务器而不是恶意第三方发送的。此序列如图7所示,实线箭头表示函数输入/输出,虚线箭头表示无线发送的信息。 图7.使用非对称加密验证消息 多数微控制器没有用于执行这些非对称加密操作的硬件加速器,但可以使用Micro-ECC等专门针对资源受限器件的软件库来实现。该库需要一个用户定义的随机数生成功能,这可以利用微控制器上的真随机数发生器硬件外设来实现。虽然这些非对称加密操作解决了OTA更新期间的信任挑战,但是会消耗大量处理时间,并且需要将签名与数据一同发送,这会增加数据包大小。我们可以在下载结束时使用最后数据包的摘要或整个新软件应用程序的摘要执行一次此检查,但如此的话,第三方将能把不受信任的软件下载到客户端,这不太理想。理想情况下,我们希望验证所收到的每个数据包都来自我们信任的服务器,而且没有每次都需要签名的开销。这可以利用哈希链来实现。 哈希链将本节讨论的加密概念整合到一系列数据包中,以便在数学上将它们联系在一起。如图8所示,第一个数据包(编号0)包含下一个数据包的摘要。第一个数据包的有效载荷不是实际的软件应用程序数据,而是签名。第二个数据包(编号1)的有效载荷包含二进制文件的一部分和第三个数据包(编号2)的摘要。客户端验证第一个数据包中的签名并缓存摘要H0以供以后使用。当第二个数据包到达时,客户端对有效载荷进行哈希处理并将其与H0进行比较。如果它们匹配,客户端便可确定该后续数据包来自可信服务器,而无需费力进行签名检查。生成此链的高开销任务留给服务器完成,客户端只需在每个数据包到达时进行缓存和哈希处理,确保到达的数据包完整无损并验明正身。 图8.将哈希链应用于数据包序列 实验设置 解决本文所述存储器、通信和安全设计挑战的超低功耗微控制器是ADuCM3029和ADuCM4050.这些微控制器包含本文讨论的用于OTA更新的硬件外设,例如闪存、SRAM、加密加速器和真随机数发生器。这些微控制器的器件系列包(DFP)为在这些器件上构建OTA更新解决方案提供了软件支持。DFP包含外设驱动,以便为使用硬件提供简单灵活的接口。 硬件配置 为了验证本文讨论的概念,我们利用ADuCM4050创建了OTA更新软件参考设计。对于客户端,一个ADuCM4050 EZ-KIT®使用收发器子板马蹄形连接器连接到ADF7242。客户端器件如图9左侧所示。对于服务器,我们开发了一个在Windows PC上运行的Python应用程序。Python应用程序通过串行端口与另一个ADuCM4050 EZ-KIT通信,后者也以与客户端相同的配置连接一个ADF7242。但是,图9中右边的EZ-KIT不执行OTA更新逻辑,只是将从ADF7242接收到的数据包中继给Python应用程序。 图9.实验硬件设置 软件组件 软件参考设计对客户端器件的闪存进行分区,如图3所示。主要客户端应用程序具有非常好的移植性和可配置性,以便其他方案或其他硬件平台也可以使用。图10显示了客户端器件的软件架构。请注意,虽然我们有时将整个应用程序称为SSBL,但在图10中,并且从现在开始,我们在逻辑上将真正的SSBL部分(蓝色)与OTA更新部分(红色)分开,因为后者不一定需要完全在上述应用程序中实现。图10所示的硬件抽象层使OTA客户端软件可移植并独立于任何底层库(以橙色显示)。 图10.客户端软件架构 软件应用程序实现图3中的引导序列(一个用于从服务器下载新应用程序的简单通信协议)和哈希链。通信协议中的每个数据包都有12字节的元数据头、64字节的有效载荷和32字节的摘要。此外,它还有如下特性: ► 缓存:根据用户配置,支持不缓存或缓存闪存的一页。 ► 目录:ToC设计为仅容纳两个应用程序,并且新应用程序总是下载到最旧的位置,以保留一个备用应用程序。这称为A/B更新方案。 ► 消息传递:支持ADF7242或UART进行消息传递,具体取决于用户配置。使用UART进行消息传递可免除图9左侧的EZ-KIT,仅保留右侧套件用于客户端。这种有线更新方案对初始系统启动和调试很有用。 结果 除了满足功能要求并通过各种测试之外,软件的性能对于判断项目成功与否也很重要。通常使用两个指标来衡量嵌入式软件的性能:占用空间和周期数。占用空间是指软件应用程序在易失性(SRAM)和非易失性(闪存)存储器中占用的空间大小。周期数是指软件执行特定任务所使用的微处理器时钟周期数。它与软件运行时间相似,但在执行OTA更新时,软件可能进入低功耗模式,此时微处理器处于非活动状态,不消耗任何周期。虽然软件参考设计没有针对任何一个指标进行优化,但它们对于程序基准测试和比较设计权衡非常有用。 图11和图12显示了在ADuCM4050上实现的OTA更新软件参考设计的占用空间(不缓存)。这些图根据图10所示的组件进行划分。如图11所示,整个应用程序使用大约15 kB的闪存。鉴于ADuCM4050包含512 kB闪存,此占用空间非常小。真正的应用软件(为OTA更新过程开发的软件)仅需1.5 kB左右,其余用于库,例如DFP、Micro-ECC和ADF7242堆栈。这些结果有助于说明SSBL应在系统中扮演什么角色的设计权衡。15 kB占用空间的大部分是用于更新过程。SSBL本身仅占用大约500字节的空间,另外还有1 kB到2 kB的DFP代码,用于访问闪存驱动器之类的器件。 图11.闪存占用空间(字节) 图12.SRAM占用空间(字节) 为了评估软件的开销,我们在每次接收数据包时计数周期,然后计算每个数据包平均消耗的周期数。每个数据包都需要AES-128解密、SHA-256哈希处理、闪存写入和某种数据包元数据验证。数据包有效载荷为64字节且不缓存时,处理单个数据包的开销为7409个周期。使用26 MHz内核时钟时,大约需要285微秒的处理时间。该值是利用ADuCM4050 DFP中的周期计数驱动程序计算的(未调整周期数),并且是100 kB二进制文件下载期间(约1500个数据包)的平均值。为使每个数据包的开销最小,DFP中的驱动程序应利用ADuCM4050上的直接存储访问(DMA)硬件外设来执行总线事务,并且驱动程序在每次事务处理期间将处理器置于低功耗休眠状态。每个事务中不存在一个万能的状态如果我们禁用DFP中的低功耗休眠并将总线事务更改为不使用DMA,则每个数据包的开销将增加到17,297个周期。这说明了高效使用器件驱动程序对嵌入式软件应用程序是有影响的。虽然减少每个数据包的数据字节数也可以降低开销,但每个数据包的数据字节数翻一倍达到128时,周期数仅有少量增加,相同实验得到的周期数为8362。 周期数和占用空间也解释了先前讨论的权衡——缓存数据包数据而不是每次都写入闪存。使能缓存一页闪存后,每个数据包的开销从7409减少到5904个周期。此20%减幅来自于更新过程跳过了大多数数据包的闪存写入,仅在缓存已满时才执行闪存写入。其代价是SRAM占用面积增加。不使用缓存时,HAL只需要336个字节的SRAM,如图12所示。但是,当使用缓存时,必须保留一个相当于闪存一整页的空间,故SRAM占用增加到2388字节。HAL使用的闪存也会少量增加,原因是需要额外代码来判断缓存何时必须清空。 这些结果证明,设计决策对软件性能会有切实的影响。不存在一个万能的解决方案,每个系统都有不同的要求和约束,OTA更新软件需要视具体情况具体对待。希望本文阐明了在设计、实现和验证OTA更新软件解决方案时遇到的常见问题和权衡。 参考文献 Nilsson、Dennis Kengo和Ulf E. Larson。“智能车辆的无线安全固件更新”。ICC研讨会——2008年IEEE国际通信会议,2008年5月。

    ADI 微控制器 嵌入式 OTA

  • Semtech推出LoRa Core™产品组合以及全新数字基带芯片,可在全球提供LoRaWAN®网络覆盖和功能

    Semtech推出LoRa Core™产品组合以及全新数字基带芯片,可在全球提供LoRaWAN®网络覆盖和功能

    领先的半导体产品及先进算法供应商Semtech公司近日宣布推出LoRa Core™产品组合,以及该系列的一个全新芯片组。LoRa Core产品组合可在全球范围内提供LoRaWAN®网络覆盖,其应用可面向多个垂直行业,包括资产追踪、智能楼宇、智慧家居、智慧农业、智能表计、工厂自动化等。 LoRa Core产品组合由sub-GHz收发器芯片、网关芯片和参考设计组成。包括SX126x系列、SX127x系列和LLCC68收发器芯片;SX130x系列网关芯片;传统网关参考设计以及LoRa® Corecell网关参考设计。它们都具备Semtech LoRa器件的基本功能,包括远距离、低功耗和低成本的端到端通信。 LoRa Core产品组合最新增加的成员包括:集成了LoRa(SX1303)的网关基带处理器,以及支持精细时间戳功能的LoRa Corecell网关参考设计。 “全新的LoRa Core网关集成电路可以实现LoRa设备基于网络的地理定位功能,而无需在每个单独的终端节点上安装全球定位系统(GPS)硬件。基于为每个解调消息提供准确的到达时间信息这一精准时间戳功能,全新的芯片组支持网关基于到达时间差(Time Difference of Arrival,TDOA)执行以网络为中心的地理定位功能。这对于一些对成本敏感的资产追踪应用来说是非常理想的选择。”Semtech无线及传感事业部的无线产品总监Pedro Pachuca说。“全新的LoRa Core芯片可帮助客户加速其运行LoRaWAN协议的应用程序的开发。Semtech致力于为客户提供完整解决方案,帮助他们缩短使用LoRa器件来开发应用程序的周期。” 具有精准时间戳功能的全新LoRa Corecell网关参考设计适用于美国、欧洲和中国。LoRa Corecell将帮助开发人员设计出将LoRa与最佳物料清单(BOM)和最低功耗配置相结合的网关,同时提供最新的、以网络为中心的地理定位性能。 全新LoRa Core芯片组(SX1303)的主要功能: · 为每个解调的LoRa帧提供准确的到达时间信息 · 精准时间戳是一个参考了每秒脉冲(PPS)信号的纳秒级分辨率值 · 地理定位精度大约为75–150米,具体取决于许多不同的因素 · 与LoRa Core SX1302的尺寸和引脚对引脚兼容 · 专为利用LoRaWAN协议和全球范围内sub-GHz频段的应用实现而特别设计 · 使用LoRa Core SX1250 Tx / Rx前端,灵敏度高达-141dBm · 独特的64位序列化编号,用于标识和安全目的 · 与传统网关相比,该网关具有更低的功耗和更小的尺寸 了解更多关于LoRa Core产品组合及其新网关芯片和参考设计的信息,请访问Semtech网站。

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