使用非易失性串行存储器获取有效传感器信息的寻址方案

模拟传感器和传感器可以很好地将现实世界的物理条件转换为我们可以测量和使用的电子信号。此外，虽然有许多低成本的温度，压力，光级传感器，加速度计和磁力传感器是一致和可靠的，但不幸的是它们的响应不是线性的。大多数测量系统中的主要误差与传感器的偏移，增益和非线性有关，因此，传感器线性化过程是嵌入式测量系统设计中的关键步骤。

更昂贵的传感器系统包含校正偏移，最大化范围和线性化传感器响应的电路。然而，当成本和空间成为一个敏感问题时，工程师可以通过设计我们自己的纠正措施来获得与价格较高的系统相同的好处。

本文探讨了使用非易失性串行存储器作为查找表，用于校正和线性化低成本传感器的模拟信息。它着眼于无缝获取有效传感器信息的寻址方案，架构实现，协议，开销和软件架构。

如何完成

使用传感器（如力，温度和磁场）的系统可以通过充分表征的查找表大大受益。这个过程很简单。使用模拟前端级，传感器被偏置为嵌入式控制器A/D级的可用范围（图1）。这可以包括滤波，电压偏移和增益级，从而最大化A/D的可用动态范围。

图1：模拟前端偏置和偏移传感器，增益最大化A/D范围。然后，读入的A/D值充当查找表的地址字节以访问校正值。

然后将读入的值作为地址应用于查找表。如果存储器芯片保存多个传感器的查找表，则可以使用分页方法来访问每个传感器的校正数据。

采用典型的模拟传感器，如Interlink 30-61710力感应电阻（FSR）。 FSR是一种坚固的聚合物厚膜（PTF）器件，其随着施加到传感器表面的力的增加而表现出电阻的降低。电阻响应是施加力的结果，不会在输出电压中线性跟踪（图2）。相反，有一个尖锐的斜率，然后是一个稳定的渐近似的上升，这取决于施加在终端上的偏置。查找表可以提供更标准化的值。

图2：简单校正可以补偿特征曲线的肘部，以提供更加标准化的范围。

更奇特的校正将是霍尼韦尔SS49线性磁场传感器中的传感器曲线。其辐射测量模式可以在不同的电源电压下呈现不同的斜率（图3）。这里需要正偏移来检测北极和南极。这是查找表可以转换换能器值以指示极点和幅度的完美示例。

图3：该线性磁传感器在其检测范围的相对中心点处具有零点。这里，查找表可以归一化并呈现极点和幅度值，以便直接用于信号处理算法。

传感器数据必须以表格形式输入或从测试夹具中提取。如果制造商的规格准确，您可以依靠通用校正表来提高精度。如果您需要最高精度，那么制造过程中的表征阶段将精确地表征每个传感器并将其与本地串行存储器中的数据集配对。随着时间流逝，算法甚至可以更新EEPROM的内容以补偿与年龄相关的漂移。

尺寸和速度

由于传感器尺寸缩小并在偏远地区使用，因此电路板空间是一个关键问题。可以在单个存储周期中返回值的并行访问ROM比串行协议工程师可用于非易失性存储器应用的速度快得多。然而，虽然并行ROM是获取数据的最快方法，但它需要太多的地址和数据线才能适应许多小型设计。它也可能占用太多有价值的处理器ROM，或者在处理器上，它可能太难以更新。

这是串口可以发光的地方。单线，2线或3线协议，如Microwire，I²C和SPI，可以通过一个相当小的8引脚封装（一些可以小到3引脚的部分）通道进入大尺寸存储器阵列的核心部分）。有趣的是，在大多数微控制器中，这些协议通常在硬件中实现，因此软件开销很小。

也许最小的例子是3引脚Microchip 11AA020T-I/TT，它使用公司的UNI/O单线协议。虽然这部分可以在5 V电压下运行，但它也可以降至1.8 V，因此适用于由币形电池供电的设计。

作为主/从驱动协议，它与其他外围元件共享高达100 Kbit/sec的通信线路（图4）。通过使用自时钟代码，在这种情况下，曼彻斯特编码，UNI/O时钟在起始头，设备地址，系列代码和设备代码中。它还使用确认序列来确保设备正确接收和解码数据以及从寻址设备输入数据。

图4：单线UNI/O总线链连接到各种信号调理级，并使3引脚SOT-23封装的完整串行查找表成为可能。

虽然UNI/O是Microchip的专有协议，但设计人员可以为非Microchip控制器实现比特带状接口，以利用UNI/O器件。否则，I²C可能是一个选项。

I²C和SPI替代品

像I²C这样广泛采用的标准意味着您的部件更有可能在一起很好地发挥作用。公司努力确保符合行业标准，因此很难获得精心设计的解决方案。微内核中对I²C的硬件支持意味着对代码开发和测试的要求较低。

真的，I²C是一种2线协议，不是单线，但串行EEPROM的占用空间非常小。以Freemont Micro Devices FT24C02A-5PR-T TSOT23-5 5针部分为例。与Microchip部分类似，这个2Kx8只需要为8位A/D转换器提供完整的256字节查找。更快的1 MHz速度是一个特别好的功能，因为大多数I²C部件最高可达400 KHz。

对于多个传感器，像8K（1Kx8）ROHM BU9889GUL-WE2这样更深的部分可以存储4个8位传感器的查找数据或单个10位A/D转换器的查找数据。最多可提供64K（8Kx8）I²C器件，例如STMicroelectronics M24C64-FCS6TP/K.该EEPROM可通过单个5引脚WLCSP封装处理单个16位传感器，两个12位传感器，四个10位传感器或八个8位传感器。到目前为止，我们已经讨论过使用EEPROM作为非易失性介质。 EEPROM的优点在于它是字节可寻址的，因此在一个周期内就可以获得结果。然而，与Flash相比，EEPROM的密度更受限制。对于更高的密度，Flash技术与SPI协议相结合是可行的方法。

一个很好的例子是Winbond W25Q80BVSNIG SPI串行闪存。虽然较大的8引脚封装并不像目前为止所讨论的5引脚或6引脚器件那么小，但是高密度（由4页256字节组成的4K页面组成的8 Mbit/1 Mbyte）和104 MHz比特率让这部分保持不变不只是多个查找表。影子代码，将被缓存的运行时代码，图形页面等可以与查找数据共存。

由于页面访问功能，微内部的SRAM块可能必须用于缓存您正在寻找的数据页面。这可能使得该过程比直接查找更加密集，就像我们对字节可寻址的I²C部分一样。尽管如此，可用的密度和速度使这些部件值得关注。例如，您可以使用此方法来利用密度高达1 Gbit的器件，如108 MHz 24引脚BGA Micron N25Q00AA13G1240E SPI串行闪存。