在傳感器校準的背景下，減少專(zhuān)門(mén)用于支持校準期間通信所需的傳感器引腳數量 - 以及相應的線(xiàn)束或電纜數量 - 是一個(gè)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(xiàn)） 。單線(xiàn)通信接口（OWI）通過(guò)允許通過(guò)一條線(xiàn)進(jìn)行與設備的通信來(lái)提供這些益處。此外，在雙線(xiàn)發(fā)射器的情況下，電力線(xiàn)上的OWI提供了更多的益處。

 

雙線(xiàn)發(fā)送器無(wú)需額外的引腳，因為數據和電源通過(guò)同一線(xiàn)路發(fā)送。在本文中，我們將專(zhuān)門(mén)討論傳感器校準期間使用的通信接口。此外，我們針對雙線(xiàn)發(fā)射器解決OWI問(wèn)題，重點(diǎn)關(guān)注與電力線(xiàn)上的OWI相關(guān)的挑戰，并提出克服這些挑戰的解決方案。

 

傳感器信號調節器的校準

 

校準傳感器信號調節器是傳感器或變送器制造過(guò)程中的關(guān)鍵步驟。圖1顯示了傳感器和校準系統的框圖。該框圖顯示傳感器具有兩個(gè)主要部件：1）感測元件，其將感興趣的物理量轉換為電信號; 2）傳感器信號調節器，使用數學(xué)算法處理傳感元件。該框圖還顯示了“校準系統”。校準系統安裝在最終傳感器生產(chǎn)線(xiàn)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(yǔ)傳感器和發(fā)射器可互換，因為它們意味著(zhù)相同的終端設備。

   

圖1：傳感器和校準系統的框圖

 

感測元件通常具有非理想性，例如偏移，非線(xiàn)性和增益誤差。在傳感器信號調節器中實(shí)現的數學(xué)算法用于校正這些非理想性。校準傳感器是確定數學(xué)算法的參數或系數的過(guò)程。在校準過(guò)程中，校準系統從傳感器信號調節器收集數據并確定系數。然后校準系統將算法參數傳送到傳感器信號調節器。如參考文獻[3]所示，校準通常是一個(gè)兩步過(guò)程，根據傳感器所需的最終精度，它可能非常耗時(shí) - 特別是如果包括溫度校準。

 

無(wú)論傳感器的最終精度如何，校準系統都必須從傳感器信號調節器接收數據并將數據傳輸到傳感器信號調節器。這些數據包括[3]：

 

1.后端數據

2.前端數據

3.傳感器信號調理器配置和算法參數

 

該校準系統將數據傳輸到傳感器信號調節器，并從傳感器信號調節器中的寄存器接收數據。根據系統的最終精度目標，在多個(gè)溫度點(diǎn)收集后端和前端數據。例如，對于用于校準的每個(gè)溫度重復步驟“a”和“b”。注意，系數和配置設置通常存儲在傳感器信號調節器中的非易失性存儲器中，例如EEPROM。

 

用于校準的通信接口

 

校準系統可以使用傳感器信號調節器支持的通信接口與傳感器信號調節器通信。一些常用的通信接口是：

 

1.串行外設接口（SPI）

2.內部集成電路（I²C）

3.通用異步接收器/發(fā)送器（UART）

4.單線(xiàn)接口（OWI）

 

上述每個(gè)接口都為校準過(guò)程提供了自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。例如，SPI需要四條線(xiàn)：MISO，MOSI，CSN和SCLK。圖2顯示了基于SPI通信接口的校準系統的框圖。該圖顯示除VDD，GND和SIGNAL OUT引腳外，每個(gè)傳感器還需要四個(gè)專(zhuān)用引腳進(jìn)行通信。這聽(tīng)起來(lái)可能不是一個(gè)缺點(diǎn)，但從大量生產(chǎn)傳感器信號調節器的角度來(lái)看，校準硬件需要更大，更昂貴和復雜。此外，傳感器成本也會(huì )更高，因為每個(gè)傳感器都需要專(zhuān)用引腳，僅用于校準期間的通信。

 

圖2：多器件校準系統中的SPI通信

 

I²C和UART接口都需要兩條線(xiàn)路進(jìn)行通信。雖然這聽(tīng)起來(lái)可能比SPI好，但每個(gè)仍然需要傳感器在校準期間具有用于通信的專(zhuān)用引腳。

 

因此，OWI提供了更好的校準混合信號傳感調節器的替代方案，因為它只需要一條線(xiàn)路進(jìn)行通信。此外，OWI over power line增強了這種“單線(xiàn)功能”，因為通過(guò)電源線(xiàn)進(jìn)行通信，消除了雙線(xiàn)，四個(gè)20 mA發(fā)送器中的一個(gè)引腳和線(xiàn)路。

 

單線(xiàn)接口

 

OWI背后的主要原則是主設備和從設備之間的通信發(fā)生在一條線(xiàn)路上，而I²C，SPI或UART接口需要兩條或更多條線(xiàn)路進(jìn)行通信。OWI上的通信是半雙工雙向的，時(shí)序接口通常與UART非常相似。

 

在一些設備中，OWI通信通過(guò)信號引腳進(jìn)行，其中數據從主設備發(fā)送和接收。由于這是一個(gè)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(guò)VDD引腳進(jìn)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(guò)VDD引腳，因此OWI線(xiàn)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。

 

圖3：具有OWI信號引腳的器件中的OWI通信。

 

圖4：具有OWI over power line的設備中的OWI通信。

 

OWI超過(guò)電源引腳的挑戰

 

在電源引腳上實(shí)現OWI的主要挑戰是在發(fā)送或接收數據傳輸時(shí)接收電源。這可能導致各種挑戰。

 

權力和數據

 

如前所述，OWI通信通過(guò)電源引腳進(jìn)行的事實(shí)意味著(zhù)必須向器件提供電流。請注意，電壓電平不應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(wèn)題提供了可能的解決方案。然而，使用放大器意味著(zhù)其他考慮因素，例如放大器穩定性。

 

由于放大器驅動(dòng)器件的VDD引腳，它還驅動(dòng)VDD引腳去耦電容。這意味著(zhù)，根據電容值和使用的放大器，您需要考慮輸出放大器的穩定性。放大器的輸出穩定性通過(guò)使用標準技術(shù)實(shí)現，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(gè)波特率范圍內保持穩定。

 

電壓下降

 

由于電源線(xiàn)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備的保護電路的一部分。圖5顯示了該保護電路的位置。

 

圖5：通過(guò)電源線(xiàn)進(jìn)行OWI通信時(shí)可能出現的電壓降。

 

這些電壓降導致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(wú)法工作或設備將斷電。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。V OWI是校準系統在特定設備的指定OWI電壓電平下發(fā)送的信號。

 

    

OWI超過(guò)電源引腳解決方案

 

圖6顯示了通過(guò)電力線(xiàn)實(shí)現OWI的解決方案，克服了我們之前提到的挑戰。該解決方案背后的理論是使用求和放大器來(lái)“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。結果，即使在沿著(zhù)電力線(xiàn)的所有可能的電壓下降之后，傳感器信號調節器的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。

 

  

圖6：解決所討論挑戰的OWI over power line實(shí)現。

 

這種在電源線(xiàn)上實(shí)現OWI的可能解決方案允許邏輯電平在校準系統側自我調整，只要已知沿電源線(xiàn)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(hù)實(shí)施的固定保護電路的一部分。此外，如果電源線(xiàn)中沒(méi)有恒定的電壓降或電阻，則可以將這兩個(gè)元件設置為0，而不會(huì )影響理想的OWI電壓電平。

 在此解決方案中，我們通過(guò)電源引腳解決OWI通信的挑戰：

 

1.功率放大器為器件提供電源，并以求和放大器配置傳輸數據。

2.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規定的電壓電平。使用傳感器信號調節器的特定設計將確定需要添加到OWI信號的恒定電壓和IR降。

 

概要

 

在本文中，我們討論了傳感器信號調節器的校準，并比較了用于此校準過(guò)程的不同通信接口。我們概述了OWI優(yōu)于其他接口的優(yōu)勢以及OWI通信背后的主要原則。最后，我們解決了OWI通信在電力線(xiàn)上的挑戰，并提出了克服這些挑戰的解決方案。

 

 

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