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)的神經系統(tǒng)發(fā)揮作用。它們可以為機器學習模型提供自主決策所需的數據。傳感器的實時反饋回路使機器能夠適應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，并推動智能制造中物理 AI 的進步。
工業(yè) 4.0 和物聯網趨勢導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力、保障安全和實現預測性維護，還能為質量管控、工廠升級與生產預測等方面的智能決策提供數據支持。如今的傳感器不再僅限于測量數據并發(fā)送至控制器進行決策，更是能夠主動優(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)生重大轉變，推動安全傳感器的擴展，使人機協(xié)作成為可能，同時環(huán)境傳感器的部署也能有效減少工廠對社會帶來的負面氣候影響。
傳感器創(chuàng)新
為了構建傳感器，系統(tǒng)設計人員將使用現成的 IC 來實現運算放大器 (Op-Amp)、電壓基準、模數轉換器 (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，將模擬信號數字化、處理數據并通過 I/O 模塊將數據傳送至可編程邏輯控制器 (PLC)。在一些過程自動化應用中，傳感器有時還需在 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、縮小尺寸并增強易用性，IC 供應商將特定應用的模擬與混合信號模塊集成至單芯片中，包含運算放大器、電壓基準、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、更高的生產吞吐量，以及無需依賴控制器即可實現單一傳感器獨立決策與多傳感器協(xié)同決策的能力，正在推動傳感器對高精度 AFE/ADC 和微控制器的需求不斷提升。同時，為了實現電力與數據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準。最后，人工智能和機器學習（AI/ML）帶來了前所未有的發(fā)展機遇，客戶對此充滿興趣，但目前還未完全掌握其實際應用的方法。
90 nm 以下的新型先進 BCD（雙極 CMOS DMOS）工藝將高密度、高速數字邏輯以及高功率、高精度模擬功能結合在同一 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芯片中。Treo 平臺正是這一技術方向的典型代表。半導體工藝尺寸的縮小通常會導致柵極電壓降低。對此，一些供應商在 180 nm 及以下工藝中對模擬模塊使用 1.8 V 低柵極驅動電壓，而這需要在芯片上使用大型噪聲去耦電路，進而導致增大 IC 芯片尺寸。
與此不同的是，安森美 (onsemi) 專門為模擬電路設計了 3.3 V 柵極驅動，為數字邏輯門設計了 1.2 V 柵極驅動，從而在實現混合信號 IC 高密度、高性能和高精度的同時，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 為傳感器賦予了數字化、云分析和智能化能力一樣，工業(yè) 5.0 進一步推動了人與機器在工廠現場的協(xié)同交互，而這一切正由支持人工智能的傳感器實現。與需要外部高端 25 TOPS（每秒萬億次運算）邊緣 AI 處理器的機器視覺傳感器不同，所有其他類型的傳感器都需要在傳感器控制器芯片內部集成 AI 和數字信號處理 (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，可實現高分辨率、高精度角度感應。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，電感式檢測技術具備獨特優(yōu)勢，包括耐溫性更強、機械結構更簡單以及優(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 引擎中的自適應學習算法，為旋轉電機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)當前的光學編碼器。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 驅動器，非常適合工業(yè)自動化、機器人、電機控制和伺服等應用場景。
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。得益于其內置的加速器引擎，該系列產品具備非接觸式檢測、高分辨率等特性，可以在苛刻環(huán)境中進行測量任務。此外，該控制器在傳感器清潔（超聲波鏡片清洗）與聲學 AI 傳感方面表現出眾，非常適用于工業(yè)自動化、環(huán)境導航、過程控制、醫(yī)療及無損檢測等應用領域。
工業(yè)傳感器處于制造自動化革命的前沿，在提升生產力和效率的同時，也在為各行各業(yè)的可持續(xù)性、安全性與質量保障提供關鍵支持。借助安森美的 Treo 平臺等新型混合信號半導體工藝，如今已能夠將高速數字處理與高性能模擬功能集成于單芯片之中。我們的創(chuàng)新傳感器產品涵蓋了電感、超聲波、圖像、壓力及生化等多種技術，從傳感器 AFE 到傳感器控制器，再到支持 AI 的傳感器控制器，能夠全面滿足現代工業(yè)應用對精確可靠測量與自適應 (AI/ML) 變化工況的嚴苛需求。
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