許多行業(yè)正在接受 "4.0 "范式，它將各種數(shù)字技術(shù)的采用作為第四次工業(yè)革命。伴隨著這些新概念的出現(xiàn)，是支撐工業(yè)3.0的機(jī)器人技術(shù)的演變：看似成熟的技術(shù)在未來幾十年內(nèi)為我們服務(wù)。這種進(jìn)步的一部分是由采用特定應(yīng)用集成電路（ASIC）的下一代位置傳感器推動的。在這里，ASIC設(shè)計(jì)和供應(yīng)公司Swindon Silicon Systems的模擬設(shè)計(jì)經(jīng)理Mike Coulson博士解釋了用于位置傳感器的定制IC是如何幫助工業(yè)自動化實(shí)現(xiàn)速度、精度和成本節(jié)約。

現(xiàn)代工業(yè)流程是由高度自動化的機(jī)器支撐的，它們必須以準(zhǔn)確和快速的方式移動。精確性是一個(gè)推動因素：它允許完成新的制造壯舉，并產(chǎn)生了性能優(yōu)于和超過其前輩的產(chǎn)品。速度等同于更高的產(chǎn)量，并降低零件成本。這類機(jī)械可能由電磁、氣動或液壓手段驅(qū)動，但無一例外地都在一個(gè)控制其運(yùn)動的電子系統(tǒng)的控制之下。這些系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵部分是檢測每個(gè)運(yùn)動部件狀態(tài)的位置傳感器。

位置傳感器是一個(gè)涵蓋一系列技術(shù)的廣泛術(shù)語。在這篇文章中，我們考慮測量旋轉(zhuǎn)和線性位移的傳感器。例如，旋轉(zhuǎn)編碼器可以測量機(jī)械臂的角度，而線性編碼器可以報(bào)告打印頭的位置。在每一種情況下，"讀頭 "在一個(gè)精確制造的刻度上移動，通常有復(fù)雜的 "冗余 "圖案。

位置傳感器電子裝置

編碼器包括一個(gè)傳感元件，將物理刺激轉(zhuǎn)換為微弱的電子信號。在電感式編碼器中，這是一個(gè)檢測不斷變化的磁性環(huán)境的線圈--例如開槽的黑色金屬刻度。在光學(xué)編碼器中，傳感元件可能是一個(gè)光電晶體管。每種情況都有激勵電路來產(chǎn)生刺激，以及信號調(diào)節(jié)電路來選擇和放大弱電反應(yīng)。然后，大多數(shù)編碼器使用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）將信號數(shù)字化，數(shù)字結(jié)果傳遞給帶有隨機(jī)存取存儲器（RAM）和閃存的中央處理單元（CPU）。

這個(gè)CPU在對輸出進(jìn)行序列化之前，從潛在的復(fù)雜刻度編碼中計(jì)算出位置。它還可以識別事件，如參考標(biāo)記被通過，或超速情況，對主機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生即時(shí)中斷。還有接口電子設(shè)備，提供從CPU到主機(jī)的雙向數(shù)據(jù)路徑，最后還有提供穩(wěn)定電源電壓的組件。

提高集成度

當(dāng)一個(gè)編碼器最初被制作成原型時(shí)，這些獨(dú)立的元件就像許多現(xiàn)成的IC，每個(gè)都有自己的分立電容和電阻支持。當(dāng)生產(chǎn)量很低，而且設(shè)計(jì)并不試圖達(dá)到一流的性能時(shí)，這可能是一個(gè)最佳的解決方案。在其他大多數(shù)情況下，開發(fā)ASIC的成本是合理的，開發(fā)者會將盡可能多的電路集成到一個(gè)單一的封裝中。這樣做的好處是巨大的。

首先，PCB的尺寸減少了，導(dǎo)致編碼器更小、更輕，提供更好的動態(tài)性能，并能夠?yàn)樾碌膽?yīng)用服務(wù)。組裝變得更簡單，電子器件得到了更大的保護(hù)，不受環(huán)境因素的影響，如化學(xué)腐蝕和振動。一些客戶還看重它對其電路IP的保護(hù)，因?yàn)閱纹呻娐愤h(yuǎn)比在眾目睽睽之下把標(biāo)準(zhǔn)部件連在一起的集合更難進(jìn)行反向工程。

其次，ASIC帶來了降低部件成本的機(jī)會。用現(xiàn)成的部件構(gòu)建的系統(tǒng)經(jīng)常是過度工程化的，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)部件的設(shè)計(jì)和銷售都考慮到了最大的通用性。斯溫頓將評估其客戶的系統(tǒng)，找出每一個(gè)從設(shè)計(jì)中榨取成本的機(jī)會：如果我們可以用一小部分的價(jià)格合成硬編碼邏輯，那么這個(gè)CPU真的有必要嗎？那個(gè)雙通道ADC的容量是否已經(jīng)用完？對于大批量的產(chǎn)品來說，ASIC的開發(fā)成本可以通過減少材料清單和簡化裝配來抵消。

第三，ASIC設(shè)計(jì)允許在重要的地方進(jìn)行性能投資。在位置傳感器中，這可能是一個(gè)非線性規(guī)格，相當(dāng)于不同刻度點(diǎn)的精度。它同樣可能是一個(gè)積極的低頻噪聲目標(biāo)，這不容易被平均化。這就是與經(jīng)驗(yàn)豐富的ASIC合作伙伴合作的好處：整個(gè)信號路徑可以被優(yōu)化和模擬到最細(xì)微的地方，并且可以部署成熟的IP和專業(yè)知識。例如，"斬波 "可以減輕麻煩的閃爍噪聲，或者溫度測量可以用來補(bǔ)償電壓基準(zhǔn)漂移。最好的ASIC合作伙伴從一開始就充當(dāng)顧問，了解系統(tǒng)，認(rèn)識到定制IC設(shè)計(jì)的改進(jìn)之處，并在客戶編寫黑盒規(guī)范時(shí)為其提供指導(dǎo)。

ASIC的開發(fā)過程

一家公司應(yīng)該考慮，一旦有了原型，一個(gè)項(xiàng)目是否準(zhǔn)備好從定制的ASIC中獲益。在這一點(diǎn)上，像斯溫頓這樣的供應(yīng)商將評估定制解決方案是否適合他們，并確定最佳的系統(tǒng)分區(qū)。通常，但并不總是必要的，供應(yīng)商會進(jìn)行為期四到八周的可行性研究，為這些結(jié)論提供信息，并得出一個(gè)詳細(xì)的建議和成本計(jì)算。然后，供應(yīng)商將構(gòu)建芯片，將設(shè)計(jì)分解為模擬和數(shù)字塊。在這個(gè)階段，許多客戶從收到詳細(xì)的行為模型中受益，例如VHDL，以便與他們系統(tǒng)的其他部分進(jìn)行共同模擬。

除此以外，工作牢牢掌握在供應(yīng)商手中，除了定期審查以證明設(shè)計(jì)及其驗(yàn)證的日益成熟外，客戶不需要更多資源。從規(guī)格到硅的整個(gè)過程的時(shí)間尺度將取決于其復(fù)雜性。但在任何情況下，與一個(gè)能夠擁有項(xiàng)目所有方面的ASIC供應(yīng)商合作是至關(guān)重要的，從最初的咨詢到持續(xù)供應(yīng)合格的生產(chǎn)部件。

位置傳感器是現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)，并在其性能和技術(shù)方面繼續(xù)發(fā)展。傳感器的電子器件是這一演變的關(guān)鍵部分，對速度、精度和整體外形尺寸有直接影響。雖然現(xiàn)成的組件適合某些應(yīng)用，但希望真正使其產(chǎn)品與眾不同的制造商必須采取下一步措施，探索定制IC提供的好處。