完整教程：设计一个小而强大的传感器

完整教程：设计一个小而强大的传感器

（2024年7月4日更新）

状态监测(CbM)传感器开发，单对以太网(SPE)或10BASE-T1L比标准以太网更有优势，包括缩小传感器尺寸、降低复杂性和低成本布线选项。本文将讨论如何做CbM传感器设计了一个小的共享电源和数据接口(PoDL)。本文还将讨论电源设计、机械设计、完整的传感器解决方案MEMS传感器选型及软件设计。

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由IEEE新单对以太网(SPE)或10BASE-T1L物理层标准监测传输设备运行状态信息的实施状态(CbM)应用提供了新的连接解决方案。SPE提供共享电源和高带宽数据架构，可通过低成本双线电缆实现1000米以上的距离 Mbps共享数据和电源。

AD公司设计了行业第一款10BASE-T1L MAC-PHY(ADN1110)MAC单对以太网收发器。ADN1110使用简单的SPI总线与嵌入式微控制器通信，可降低传感器功耗，减少固件开发时间。

在本文中，您将了解如何设计一个小而强大的传感器。本文将介绍：

● 如何设计小型共享数据和电源通信接口

● 如何为传感器设计超低噪声电源

● 选择微控制器和软件架构

● 选择合适的MEMS振动传感器

● 集成数字硬件设计和机械外壳

● 计算机上的数据采集UI示例

图3. 使用LTspice蒙特卡罗函数MDI模拟回波损耗。

图5. 数字有线MEMS传感器电源设计。

LT3042是高性能、超低噪音LDO稳压器具有以下特点：

● 0.8 μV rms提供超低有效噪声(10 Hz至100 kHz）

● 超高PSRR（1 MHz时为79 dB）

● 微型3 mm × 3 mm DFN封装

图19和图20显示在本文中LT3042输入端施加EMC干扰时的模拟结果。结果表明，即使LT3042输入端有1 V p-p EMC其电压纹波也小于200 μV。

集成数字硬件设计和机械外壳

MEMS振动传感器的包装采用钢或铝外壳，可与监控设备牢固连接，提供防水防尘性能(IP67)。对于振动传感器，外壳的固有频率必须大于原因MEMS振动负载的固有频率由传感器测量。

ADXL1002 MEMS频率响应曲线。ADXL1002的3 dB带宽为11 kHz，谐振频率为21 kHz。用于封装ADXL灵敏度轴上需要21002保护壳 kHz或更高的一级固有频率。同样，在设计三轴传感器时，机械外壳的固有频率需要垂直和径向分析。

大多数设计都有多个自由度。有些设计有数百个自由度。方程1的计算结果可以通过使用有限元的方法快速得到，如果手动计算需要很多时间。

当使用ANSYS模拟时，固有频率和模式参与因子(MPF)均由求解器输出。MPF确定哪些固有频率对你的设计最重要。如果MPF相对较高意味着设计中可能存在特定频率的问题。表3中的示例显示，X轴的固有频率在模拟中预测为500 Hz模式是弱激励，不太可能成为问题。外壳x轴激励800 Hz如果是强模式MEMS敏感轴的方向与外壳x轴的方向一致，这将是一个问题。但是，如果设计师会MEMS传感器PCB在外壳的z轴上测量方向，然后x轴的800 Hz强模式可能无关紧要。

图8. 适用于有线应用MEMS和压电传感器系列

MEMS在振动传感器领域，传感器的许多优点逐渐产生重大影响。例如，市场上绝大多数人MEMS传感器具有三轴、集成等特点ADC、数字滤波器，线性好，成本低，重量低，尺寸小于压电传感器或IEPE/ICP如表5所示的传感器。虽然关键设备将继续使用IEPE传感器，但维护和设施管理人员也在寻求从非关键设备中获得更深入的见解，以提高生产力、效率和可持续性，尽可能减少计划外的停机时间，延长设备的使用寿命。在这种情况下，成本和性能较低的传感器(无论是否MEMS还是IEPE），这就产生了一个问题：单轴噪声和带宽性能优异IEPE传感器AD中国与三轴MEMS前者总是比传感器更好的选择吗？

图9. 振动传感器分为三轴MEMS和IEPE以及单轴MEMS和IEPE进行比较。

哪种传感器最适合单对以太网状态监测传感器？为什么？

可部署的单对以太网状态监测传感器最初是为了容纳振动传感器而设计的，但系统架构允许使用各种类型的传感器(如温度、压力、声音、位置等)。)，无论是模拟输出还是数字输出，微控制器固件只需要少量更改。振动传感器必须采用具有高集成度（放大器、ADC）小数字输出（SPI或I2C）传感器，以满足单对以太网状态监测传感器的尺寸和性能要求。根据表5所示的规格选择三轴数字输出MEMS加速度计。

用低噪声三轴传感器代替低噪声、宽带宽的单轴MEMS传感器可以提供更多的诊断见解(三轴和单轴)，缓解单轴传感器带来的安装问题。下一个关键因素是功耗。ADXL357在IP6x由于模块内的自热效应明显小于其他传感器， ADXL357 不需要ADC或者操作放大器，这也可以减少整体解决方案的大小BOM成本。如模态分析部分所述，小尺寸解决方案有利于创建小型机械外壳，保证优异的模态频率性能。

性能较高的宽带宽(11 kHz至23 kHz）单轴MEMS传感器(如分辨率高达14位的传感器)ADXL100x该系列)支持无缝集成，但外部可能需要使用ADC保持性能，因为大多数低功耗微控制器只集成12位ADC。但是，如果使用合适的微控制器通过采样和提取技术将分辨率提高到12位以上，单轴模拟输出也可以MEMS加速度计很容易集成到现有系统中。请注意，如果所需的分辨率高于13位，则必须使用模拟输出MEMS或IEPE如表7所示的传感器。

图10. 简单的MQTT发布/订阅架构。

图11. 传感器框图可以单对以太网状态监测。

传感器、微控制器、图11中的前四个模块MAC-PHY它由媒体转换器组成。该传感器是一个数字输出三轴，可以检测振动MEMS传感器。从ADXL357读取数据可以使用任何带SPI标准低功耗微控制器，如接口MAX78000或MAX32670。MAX78000积神经网络，78000具有额外优势(CNN)硬件加速器提供超低功耗边缘AI处理功能。

将测量的振动数据放入MQTT为了再次通过主题SPI传输到MACPHY。低成本使用Cortex-M4微控制器通过SPI读/写ADN1110 MACPHY，启用打开或关闭等各种模式和配置PoDL、T1L专用，主节点或子节点，1 V或2.4 V。ADN1110将MQTT将数据主题转换为10BASE-T1L格式，通过300 m长的IP67级电缆传输具有先进的屏蔽特性，可达1700 m保持稳定的性能。然后媒体转换器将数据从10开始BASE-T1L转换为10BASE-T格式，以便PC或者树莓派解译数据，然后处理和显示。

● ADN1110 10BASE-T1L MAC-PHY

ADN1110是工业应用的稳定单端口，低功耗10BASE-T1L以太网MAC-PHY收发器。ADN1110具有集成的MAC接口，可通过SPI直接连接各种主机控制器。该SPI低功耗处理器可用于通信通道，无需集成MAC，整体系统级功耗很低。ADN边缘节点传感器和现场仪表设计用于建筑、工厂和工艺自动化。该器件采用1.8 V或3.3 V单电源轨供电，支持1.0 V和2.4 V支持本安型环境中使用幅度工作模式和外部端接电阻。ADN1110支持可编程发射电平、外部端接电阻和独立的接收和发送引脚，适合各种本质安全应用。

从以太网到现场或边缘的愿景是将所有传感器和执行器连接到一个集成IT/OT网络。由于其中一些传感器受功率和空间的限制，因此实现这一愿景面临系统工程方面的挑战。低功耗、超低功耗微控制器的市场需求日益增加，适用于传感器和执行器应用，内部存储功能强。但大多数这样的处理器都有同样的问题，即没有集成的以太网MAC，不支持MII、RMII或RGMII媒体独立(以太网)接口。传统的PHY这些处理器/微控制器无法连接。

以太网状态监测传感器的固件实现显示在表8中。

图13. 每个块的传感器框图和代码开发要求。

PyMQTT是一个基于Python库扩展，支持将MQTT集成到客户端Web可用于订阅应用程序。SPE提取数据并显示传感器GUI因此，它可以有效地发挥作用paho-mqtt简化包装器Python在应用程序中MQTT集成。

ADN2111：集成10BASE-T1L PHY的低复杂度

2端口以太网交换机

ADN2111使用长距离10BASE-T1L该技术在工厂/建筑物的每个节点添加以太网连接，从而简化了网络管理。ADN2111支持低功耗边缘节点设计SPI连接各种主机控制器。ADN2111等双端口交换机可用于菊花链在线或环形拓扑约束的边缘节点之间传输数据。线形或环形拓扑是工业部署的主要结构。每个设备需要两个端口进行输入和输出，因此每个设备需要一个交换机和两个10BASE-T1L PHY（ADN2111可提供）。

图14. ADN2111功能框图。

ADN2111可以通过一系列诊断特征来监控链路质量和检测故障，从而缩短调试时间和系统停机时间。支持实时故障检测和故障位置识别，精度为2%，有助于缩短系统停机和调试时间。ADN现有的单双绞线基础设施可用于将传感器、执行器和控制器网络连接到线形或环形拓扑上。

数据采集与GUI

使用基于Python的GUI振动数据的可视化可以在时域和频域中实现。Python GUI它是一个可执行的文件，所以不需要代码开发(除非你想修改它)。

图15. SPE传感器测量微妙的20 Hz振动。

为了验证SPE测试人员对传感器系统的性能进行了一系列测试。振动传感器的性能可以作为一种可靠的方法进行测试，因为很容易识别时域和频域的特性。图16左侧为时域数据，右侧为频域数据。在电机转速或基本速度下测量失衡负载的振动，y与之相关的清晰正弦信号可以显示在轴和z轴上。这是因为y轴和z轴的定位便于测量失衡电机的最大振动响应。x轴确实也测量到一些重复数据，但并非正弦，而且振幅比y轴和z轴至少低一个数量级。但在频域图上，x轴同y、z轴也能清楚地显示不平衡的特征，但范围要高得多。