【導(dǎo)讀】工業(yè)傳感器在智能制造中的核心作用與發(fā)展趨勢。智能傳感器正從單純的數(shù)據(jù)采集單元升級為集成模擬前端和AI能力的智能節(jié)點(diǎn)，通過安森美的Treo平臺和NCS32100、NCV75215等實(shí)例，展示了傳感器控制器如何實(shí)現(xiàn)高精度測量和自適應(yīng)決策。隨著工業(yè)5.0推進(jìn)，支持AI的傳感器將推動(dòng)人機(jī)協(xié)作和可持續(xù)發(fā)展，為智能制造提供關(guān)鍵技術(shù)支持。

從傳感器AFE到支持AI的傳感器控制器，安森美全鏈路賦能智能制造

作者：安森美

在《智能制造中，如何為物理AI挑選傳感器》一文中，探討了工業(yè)傳感器如何作為智能制造中物理 AI 系統(tǒng)的神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)揮作用。它們可以為機(jī)器學(xué)習(xí)模型提供自主決策所需的數(shù)據(jù)。傳感器的實(shí)時(shí)反饋回路使機(jī)器能夠適應(yīng)不斷變化的條件并優(yōu)化性能。本文將更深入地探討工業(yè)傳感器如何不斷發(fā)展，并推動(dòng)智能制造中物理 AI 的進(jìn)步。

工業(yè) 4.0 和物聯(lián)網(wǎng)趨勢導(dǎo)致智能傳感器的爆發(fā)式增長。這些傳感器不僅可以用于提升生產(chǎn)力、保障安全和實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)，還能為質(zhì)量管控、工廠升級與生產(chǎn)預(yù)測等方面的智能決策提供數(shù)據(jù)支持。如今的傳感器不再僅限于測量數(shù)據(jù)并發(fā)送至控制器進(jìn)行決策，更是能夠主動(dòng)優(yōu)化延遲并提高工廠吞吐量。

此外，工業(yè) 5.0（即智能制造）正在向以人為本的方法發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，推動(dòng)安全傳感器的擴(kuò)展，使人機(jī)協(xié)作成為可能，同時(shí)環(huán)境傳感器的部署也能有效減少工廠對社會帶來的負(fù)面氣候影響。

傳感器創(chuàng)新

為了構(gòu)建傳感器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將使用現(xiàn)成的 IC 來實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大器 (Op-Amp)、電壓基準(zhǔn)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、電源管理、中央處理器 (CPU)、接口和系統(tǒng)功能，這些 IC 與傳感元件協(xié)同工作，將模擬信號數(shù)字化、處理數(shù)據(jù)并通過 I/O 模塊將數(shù)據(jù)傳送至可編程邏輯控制器 (PLC)。在一些過程自動(dòng)化應(yīng)用中，傳感器有時(shí)還需在 ADC 與 CPU 之間、或 CPU 與接口之間施加可選的電隔離。

為降低延遲、提高精度、縮小尺寸并增強(qiáng)易用性，IC 供應(yīng)商將特定應(yīng)用的模擬與混合信號模塊集成至單芯片中，包含運(yùn)算放大器、電壓基準(zhǔn)、ADC 和電源管理等功能，這便是傳感器模擬前端 (AFE)（見圖 1）。

圖1 從傳感器接口到傳感器控制器的演變

新興的傳感技術(shù)、更高的生產(chǎn)吞吐量，以及無需依賴控制器即可實(shí)現(xiàn)單一傳感器獨(dú)立決策與多傳感器協(xié)同決策的能力，正在推動(dòng)傳感器對高精度 AFE/ADC 和微控制器的需求不斷提升。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)電力與數(shù)據(jù)通過同一根電纜或無線方式的傳輸，OEM 廠商也紛紛采納全新的接口標(biāo)準(zhǔn)。最后，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)（AI/ML）帶來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇，客戶對此充滿興趣，但目前還未完全掌握其實(shí)際應(yīng)用的方法。

90 nm 以下的新型先進(jìn) BCD（雙極 CMOS DMOS）工藝將高密度、高速數(shù)字邏輯以及高功率、高精度模擬功能結(jié)合在同一 IC 上，為完全集成的傳感器控制器打開了大門，使其超越傳感器 AFE，甚至將處理器集成到單個(gè)芯片中。Treo 平臺正是這一技術(shù)方向的典型代表。半導(dǎo)體工藝尺寸的縮小通常會導(dǎo)致柵極電壓降低。對此，一些供應(yīng)商在 180 nm 及以下工藝中對模擬模塊使用 1.8 V 低柵極驅(qū)動(dòng)電壓，而這需要在芯片上使用大型噪聲去耦電路，進(jìn)而導(dǎo)致增大 IC 芯片尺寸。

與此不同的是，安森美 (onsemi) 專門為模擬電路設(shè)計(jì)了 3.3 V 柵極驅(qū)動(dòng)，為數(shù)字邏輯門設(shè)計(jì)了 1.2 V 柵極驅(qū)動(dòng)，從而在實(shí)現(xiàn)混合信號 IC 高密度、高性能和高精度的同時(shí)，避免了噪聲與長期可靠性問題。

工業(yè)傳感器的未來趨勢

正如工業(yè) 4.0 為傳感器賦予了數(shù)字化、云分析和智能化能力一樣，工業(yè) 5.0 進(jìn)一步推動(dòng)了人與機(jī)器在工廠現(xiàn)場的協(xié)同交互，而這一切正由支持人工智能的傳感器實(shí)現(xiàn)。與需要外部高端 25 TOPS（每秒萬億次運(yùn)算）邊緣 AI 處理器的機(jī)器視覺傳感器不同，所有其他類型的傳感器都需要在傳感器控制器芯片內(nèi)部集成 AI 和數(shù)字信號處理 (DSP) 加速器引擎。

以下是一些傳感器控制器的示例：

NCS32100 電感位置傳感器：NCS32100 中包含功能全面的控制器和傳感器接口，在與印刷電路板傳感器元件配合使用時(shí)，可實(shí)現(xiàn)高分辨率、高精度角度感應(yīng)。NCS32100 擁有靈活的配置能力，能連接多種電感式傳感器圖案，并支持多種數(shù)字輸出格式。相較于傳統(tǒng)位置傳感器方案，電感式檢測技術(shù)具備獨(dú)特優(yōu)勢，包括耐溫性更強(qiáng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡單以及優(yōu)異的抗污染能力等。該電感式位置傳感器控制器通過板載 DSP 引擎中的自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法，為旋轉(zhuǎn)電機(jī)編碼器提供高分辨率、高精度的角度傳感解決方案，性能可挑戰(zhàn)當(dāng)前的光學(xué)編碼器。此外，NCS32100 還支持可編程索引、溫度與電池測量功能，并可連接到外部 RS-485 驅(qū)動(dòng)器，非常適合工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人、電機(jī)控制和伺服等應(yīng)用場景。

NCV75215 超聲波傳感器控制器：我們的超聲波傳感器控制器可用于檢測接近度、存在度、流量、濃度、泄漏、壓力、溫度和水平等參數(shù)。得益于其內(nèi)置的加速器引擎，該系列產(chǎn)品具備非接觸式檢測、高分辨率等特性，可以在苛刻環(huán)境中進(jìn)行測量任務(wù)。此外，該控制器在傳感器清潔（超聲波鏡片清洗）與聲學(xué) AI 傳感方面表現(xiàn)出眾，非常適用于工業(yè)自動(dòng)化、環(huán)境導(dǎo)航、過程控制、醫(yī)療及無損檢測等應(yīng)用領(lǐng)域。

工業(yè)傳感器處于制造自動(dòng)化革命的前沿，在提升生產(chǎn)力和效率的同時(shí)，也在為各行各業(yè)的可持續(xù)性、安全性與質(zhì)量保障提供關(guān)鍵支持。借助安森美的 Treo 平臺等新型混合信號半導(dǎo)體工藝，如今已能夠?qū)⒏咚贁?shù)字處理與高性能模擬功能集成于單芯片之中。我們的創(chuàng)新傳感器產(chǎn)品涵蓋了電感、超聲波、圖像、壓力及生化等多種技術(shù)，從傳感器 AFE 到傳感器控制器，再到支持 AI 的傳感器控制器，能夠全面滿足現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用對精確可靠測量與自適應(yīng) (AI/ML) 變化工況的嚴(yán)苛需求。

安森美致力于持續(xù)創(chuàng)新傳感器驅(qū)動(dòng)解決方案，擁抱 AI 技術(shù)，在智能制造領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位。