ADI

作者:Austin Harney

我们都很熟悉那些隐藏在车库、地下室或其它隐蔽之处的电表了。我们甚至可能每月会检查它一次或两次,并将电表上的最新读数打 电话告诉电力公司,而不是估算一个数字。随着技术的发展,一场静悄悄的革命正在这普普通通的电表上发生。

图1显示的是一款在19世纪后期开发的传统机电式电表,它带有一个转盘和一个机械计数显示器。这种电表通过计算该转盘的旋转圈 数来计量电能,金属转盘的旋转速度与所用电能成一定比例。转盘周围的线圈通过施加一个与瞬时电流和电压成比例的涡电流和推 力转动转盘,它利用一个永久磁铁在转盘上施加阻尼力,以在断电后使之停止旋转。

机电式电表

图1. 机电式电表。

电表发展的第一个里程碑是机电式电表被固态电子式电表所代 替。电子式电表利用高度集成的器件(如 ADE516x,1 ADE556x,2 ADE716x,3 ADE756x,4 和 ADE77xx5 系列 电能计量IC.6 来计量电能。这 些器件通过一个高精度的∑-∆ A DC来将瞬时电压和电流转成数字量,然后计算电压和电流的乘积,就能到以瓦特为单位的瞬时功率。 对瞬时功率按时间进行积分就可以得出已消耗的电能值,它通常以千瓦时 (kWh) 为单位计量。消耗的电能数据显示在一个液晶显示屏 (LCD) 上,如图2所示。

电子式电表有很多优势。除了可计量瞬时功率以外,它还可以计量其它参数,如功率因数和无功功率。它能够每隔一个特定时段计量 并存储数据,这就允许电力公司提供分时段计费服务。这样一来,聪明的用户在费率较低的非高峰时期使用主要电器(如洗衣机和烘 干机),这样能节省电费,而且高峰期的电能需求量减少了,电力公司也可以避免建设新的发电厂。电子式电表还不会受到外部磁场或 电表本身放置角度的影响,因此它们的防窃电性能要优于机电式电表。此外,电子式电表的可靠性也非常高。

ADI公司在机电式电表向电子式电表的演变过程中起到了关键的作用,迄今为止已经销售了超过2.25亿块电能计量IC。根据IM S Research公司的报告,2007年付运的所有电表中,75%是电子式的,25%是机电式的。

固态电子式电表

图2. 固态电子式电表。

电子式电表打开新的机遇

一旦电表数据可以以电子形式得到,在电表上增加通信功能就变得很有意义了,因为这样就允许电表通过通信链路使用自动抄表 (AMR) 功能远程发送电表数据。电表制造商已经开发出多种不同的远程抄表系统架构,大致可分为近距离无线抄表系统、车载无线抄 表系统和联网抄表系统。图3显示了车载抄表系统。在该案例中,电力公司派出一部装有无线数据收集器的汽车,该车只要经过居住区 就可高效地收集电表数据。车载抄表系统使一个电力公司员工能够在一天内抄到的电表数量是近距离抄表系统的五倍,是人工抄表数 量的十倍。在联网抄表系统中,电表数据被传输到一个固定的数据收集器,它通常位于某街道或居民区尽头的一根电线杆上。然后数据会通过宽带或无线蜂窝网络传输到电力公司。

 车载抄表器

图3. 车载抄表器。

从AMR到AMI

最初,以AMR系统取代人工抄表只被简单地看作是一种降低人工成本的途径,但这一看法正在改变,因为业界认识到AMR允许电力 公司方便地提供更大的好处和更好的服务(如实时计费),从而进一步提升能效、实现故障即时报告,以及提供更精确的数据来规范 网络内用户的用电习惯。AMI(先进抄表基础设施)有时会替代AMR,以突出与简单远程抄表的区别。AMI联网抄表系统可以利用从卫星 到低成本无线电在内的各种技术来实现,其中两种主导性新兴技术是RF技术(利用开放的工业、科学和医学 (ISM) 频段)和电力线载波技术 (PLC)。

RF技术采用低功耗、低成本的无线电系统来无线传输电表信息,PLC 则利用电力线本身来传输。ADI公司已经开发出了针对这两种技术的 解决方案,ADF7xxx系列 短距离收发器8 可满足ISM频段RF应用的需要, 而基于广泛使用的 Blackfin® 处理器9 9的SALEM®系列则可满足PLC技术的需要。这两种技术都各有利弊。特别对于水表和气表来说,基于在水或气旁边部署电力线的安全问题考虑,RF技术正变成主要的选择。 水表由于经常被埋于地下,情况也更复杂一些。对于电表而言,混合使用这两种技术看起来可能性最大,北美青睐RF,而欧洲则倾向于PLC。在美国,一小部分家庭通常只连接到一个变压器,这使得PLC方案不太经济。在某些情况下,电力公司采用混合方案部署AMI,电力线用于数据收集器和电表之间的通信,RF用于电表和室内其它计量表或设备之间的通信。Google地图中有一个显示全球 AMR/AMI 部署10和 现场试验的很有意思的页面,它显示了最新的部署信息。

设计AMR/AMI电表中的RF电路

电表通常位于拥有越来越多无线设备的房屋内部或周边,确保可靠的无线电通信是一大挑战,这就要求RF电路必须具备高性能,以抑 制无线LAN等设备发出的较强信号的干扰, RF输入端可能接收低至1微伏以下的信号,并进行解码。

RF模块也要求具有良好的无线电灵敏度,因为更高的灵敏度意味着更长的信号传输距离。记住,电表可能位于地下室甚至地底下,它需 要和几条街之外某根电线杆上的无线电设备或与街上电力公司的抄表车进行通信。灵敏度越低,接收无线电就必须靠得越近才能正确 地解码信息。对于一个移动的车载抄表系统来说,这意味着抄表车必须与您的房屋靠得更近,但固定网络基础设施必须使用更小的单 元和相应更多的数据收集器。因此,高灵敏度可以使网络基础设施的成本最小。

低功耗是电池供电的气表和水表的关键性能要求。电表供应商常常努力尝试降低电表的功耗,因为这样一来他们就可以将相同的设计 移植到水表或气表上。此外,为了在开放的频段内工作,计量表和抄表器使用的通信协议必须符合所在国家的无线电发射规定。目前全 世界有多个开放频段,其中最常用的是900MHz、2.4GHz和5.8GHz。

大部分电表制造商都选择了900MHz频段作为电表之间和电表与数据收集器之间的通信频段。在某一给定的功率预算下,900MHz频段 的无线传输距离比2.4GHz频段更长,基站或数据收集器就可以覆盖更大的范围。不过,从电力公司的角度来说,使用这个频段的一个缺 点在于缺乏可用的标准。1GHz以下频段显然是电池供电型气表和水表的最佳技术选择,这推动了业界对标准化的要求,以便不同制造 商的系统之间实现互操作性。已经从有线M-Bus用户群体成长起来的无线M-Bus,就是一个计量表之间以及计量表和数据收集器之间 通信标准的例子。 M-Bus11 目前是欧洲规范标准的一部分,详情可见 EN 13757标准。无线M-Bus协议的详细内容在衍生标准EN 13757-4中。900MHz频段的其它标准化工作也在进行之中。

ADF702012 和即将推出的 ADF7023 就是900MHz的无线电器件,这两 款器件在设计过程中就考虑了计量应用的需求,这两款器件也都适用于必须符合无线M-Bus标准的系统。图4显示了ADF7020的功能框图。

ADF7020的功能框图

图4. ADF7020的功能框图。

ADF7020全集成的低功耗无线电收发器可工作在以下开放ISM频段 上:中国是433MHz,欧洲是868MHz,北美则是915MHz。它集成了完 整的RF发射和接收电路以及模拟和数字基带。如图5所示,实现一个 用于 AMR电表13 的射频卡,通常只需要ADF7020、一根天线、几个外 部无源器件和一个运行通信协议的简单微控制器。ADF7020通过集 成一个超低功耗的8位RISC内核来执行一些低级的通信功能,大幅 减轻了外部微控制器的负担。在很多情况下,这样可以避免采用通 信专用微控制器。电表制造商选择ADF702x系列收发器而不是其竞 争器件的另一个原因是,ADF702x系列收发器能提供业内最好的灵 敏度和阻塞性能,它允许电表和数据收集器之间有更长的通信距离。 ADF7020提供超过70dB的阻塞性能,这意味着,即便在一个带外信 号比所需信号高出70dB的情况下,ADF7020也可以正确地检测出所 需的信号并进行正确的解码。ADF7020的相邻信道抑制指标大约为 40dB,灵敏度可以达到–120dBm,具体需取决于数据率。这比表现最 好的 ZigBee 解决方案®14的灵敏度还低出20dB。

具有AMR功能的公用仪表

图5. 具有AMR功能的公用仪表。

HAN网络

随着很多家庭将很快配备一个具有通信能力的电表,电力公司和能源管理机构开始思考未来如何利用该技术来提高能效和节能意识。 利用这个有时被称为"智能电网"的概念,电力公司可以利用这一扩展到千家万户的网络,来积极地管理电能输送负荷。例如可以提供 实时价格信息,从而让用户可以调整用电习惯。在用电高峰期,比如炎热天气时,电力公司可以给用户发送一个信息,提醒用户下一个 小时的费率会提高,鼓励其关掉电器,这就需要在室内安装一个可以显示该信息的显示器。电力公司还可以更进一步地通过电表来控 制用户家中的电器,比如调低空调或关闭游泳池的水泵,这个系统需要电表和家用电器之间进行通信,有时这被称为家庭区域网 (HAN)。 900-MHz射频解决方案(如ADF702x和ZigBee射频解决方案)都在这一领域找到了用武之地。

大多数业内人士都认识到,一个与先进的计量基础设施相连的能够完全运行的家庭区域网还需要若干年才能实现。然而,这样的系统 的好处让今天很多公司都积极为家庭区域网开发解决方案。图6显示了家庭区域网的示意图。

家庭区域网

图6. 家庭区域网。

结束语

ADI公司专注于为电表市场提供一流的技术和产品,包括RF收发器、电能计量芯片组、RF放大器、隔离产品和电力线控制产品。ADF702x 高性能全集成收发器适用于具有通信功能或支持AMI的电表,为全球电表制造商提供了紧凑、可靠和低成本的解决方案。

AMI和智能电网被视为是提高能效的关键潜在技术,将最终帮助实现减少二氧化碳排放的目标。ADI公司承诺提供推动这一市场发展 的创新型高能效器件,并在未来继续为提高能效和促进节能作出其应有的贡献。

参考电路

www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/energy-measurement/ADE516...
www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/energy-measurement/ADE556...
www.analog.com/ADE7166
www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/energy-measurement/ADE756...
www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/energy-measurement/ADE775...
www.analog.com/en/products/analog-to-digital-converters/integrated-speci...
IMS Research Report 2008
www.analog.com/en/products/rf-microwave/integrated-transceivers-transmit...
www.analog.com/en/embedded-processing-dsp/blackfin/content/index.html
http://maps.google.com/maps/ms?ie=UTF8&hl=en&msa=0&msid=1155193110583675...
www.m-bus.com
www.analog.com/ADF7020
www.analog.com/en/applications/markets/energy/metering-and-energy-monito...
www.zigbee.org

作者:Austin Harney

Austin Harney 于1999年毕业于爱尔兰都柏林大学,获得工程学士学位,2006年获得利默里克大学工商管理硕士学位。12年来他在ADI公司从事各种RF相关工作,目前是 ADI公司PLL和VCO产品系列的应用工程师。

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围观 3
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通信对物联网来说十分常用且关键,无论是近距离无线传输技术还是移动通信技术,都影响着物联网的发展。而在通信中,通信协议尤其重要,是指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。那么物联网都有哪些通信协议?

我们将物联网协议分为两大类,一类是传输协议,一类是通信协议。

传输协议一般负责子网内设备间的组网及通信。

通信协议则主要是运行在传统互联网TCP/IP协议之上的设备通讯协议,负责设备通过互联网进行数据交换及通信。

上图为物联网联接的问题空间,物联网的通信环境有Ethernet、Wi-Fi、RFID、NFC(近距离无线通信)、Zigbee、6LoWPAN(IPV6低速无线版本)、Bluetooth、GSM、GPRS、GPS、3G、4G等网络,而每一种通信应用协议都有一定适用范围。

AMQP、JMS、REST/HTTP都是工作在以太网,COAP协议是专门为资源受限设备开发的协议,而DDS和MQTT的兼容性则强很多。

互联网时代,TCP/IP协议已经一统江湖,物联网的通信架构也是构建在传统互联网基础架构之上。
在当前的互联网通信协议中,HTTP协议由于开发成本低,开放程度高,几乎占据大半江山,所以很多厂商在构建物联网系统时也基于http协议进行开发。包括google主导的physic web项目,都是期望在传统web技术基础上构建物联网协议标准。

HTTP协议是典型的CS通讯模式,由客户端主动发起连接,向服务器请求XML或JSON数据。该协议最早是为了适用web浏览器的上网浏览场景设计的,目前在PC、手机、pad等终端上都应用广泛,但并不适用于物联网场景。在物联网场景中其有三大弊端:

1. 必须由设备主动向服务器发送数据,难以主动向设备推送数据。对于简单的数据采集等场景还勉强适用,但是对于频繁的操控场景,只能推出设备定期主动拉取的的方式,实现成本和实时性都大打折扣。
2. 安全性不高。web的不安全妇孺皆知,HTTP是明文协议,在很多要求高安全性的物联网场景,如果不做很多安全准备工作(如采用https等),后果不堪设想。
3. 不同于用户交互终端如pc、手机,物联网场景中的设备多样化,对于运算和存储资源都十分受限的设备,http协议实现、XML/JSON数据格式的解析,都是不可能的任务。

REST/HTTP(松耦合服务调用)

REST (Representational State Transfer),表征状态转换,是基于HTTP协议开发的一种通信风格,目前还不是标准。

适用范围:REST/HTTP主要为了简化互联网中的系统架构,快速实现客户端和服务器之间交互的松耦合,降低了客户端和服务器之间的交互延迟。因此适合在物联网的应用层面,通过REST开放物联网中资源,实现服务被其他应用所调用。

特点:

1. REST 指的是一组架构约束条件和原则。满足这些约束条件和原则的应用程序或设计就是RESTful。
2.客户端和服务器之间的交互在请求之间是无状态的。
3. 在服务器端,应用程序状态和功能可以分为各种资源,它向客户端公开。资源的例子有:应用程序对象、数据库记录、算法等等。每个资源都使用 URI (Universal Resource Identifier) 得到一个惟一的地址。所有资源都共享统一的界面,以便在客户端和服务器之间传输状态。
4.使用的是标准的 HTTP 方法,比如 GET、PUT、POST 和 DELETE。

点评: REST/HTTP其实是互联网中服务调用API封装风格,物联网中数据采集到物联网应用系统中,在物联网应用系统中,可以通过开放REST API的方式,把数据服务开放出去,被互联网中其他应用所调用。

CoAP协议

CoAP (Constrained Application Protocol),受限应用协议,应用于无线传感网中协议。
适用范围:CoAP是简化了HTTP协议的RESTful API,CoAP是6LowPAN协议栈中的应用层协议,它适用于在资源受限的通信的IP网络。

特点:

报头压缩:CoAP包含一个紧凑的二进制报头和扩展报头。它只有短短的4B基本报头,基本报头后面跟扩展选项。一个典型的请求报头为10~20B。

方法和URIs:为了实现客户端访问服务器上的资源,CoAP支持GET、PUT、POST和DELETE等方法。CoAP还支持URIs,这是Web架构的主要特点。

传输层使用UDP协议:CoAP协议是建立在UDP协议之上,以减少开销和支持组播功能。它也支持一个简单的停止和等待的可靠性传输机制。

支持异步通信:HTTP对M2M(Machine-to-Machine)通信不适用,这是由于事务总是由客户端发起。而CoAP协议支持异步通信,这对M2M通信应用来说是常见的休眠/唤醒机制。

支持资源发现:为了自主的发现和使用资源,它支持内置的资源发现格式,用于发现设备上的资源列表,或者用于设备向服务目录公告自己的资源。它支持RFC5785中的格式,在CoRE中用/.well—known/core的路径表示资源描述。

支持缓存:CoAP协议支持资源描述的缓存以优化其性能。

协议主要实现:

1. libcoap(C语言实现)
2.Californium(java语言实现)

点评:CoAP和6LowPan,这分别是应用层协议和网络适配层协议,其目标是解决设备直接连接到IP网络,也就是IP技术应用到设备之间、互联网与设备之间的通信需求。因为IPV6技术带来巨大寻址空间,不光解决了未来巨量设备和资源的标识问题,互联网上应用可以直接访问支持IPV6的设备,而不需要额外的网关。

MQTT协议(低带宽)

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport ),消息队列遥测传输,由IBM开发的即时通讯协议,相比来说比较适合物联网场景的通讯协议。MQTT协议采用发布/订阅模式,所有的物联网终端都通过TCP连接到云端,云端通过主题的方式管理各个设备关注的通讯内容,负责将设备与设备之间消息的转发。

MQTT在协议设计时就考虑到不同设备的计算性能的差异,所以所有的协议都是采用二进制格式编解码,并且编解码格式都非常易于开发和实现。最小的数据包只有2个字节,对于低功耗低速网络也有很好的适应性。有非常完善的QOS机制,根据业务场景可以选择最多一次、至少一次、刚好一次三种消息送达模式。运行在TCP协议之上,同时支持TLS(TCP+SSL)协议,并且由于所有数据通信都经过云端,安全性得到了较好地保障。

适用范围:在低带宽、不可靠的网络下提供基于云平台的远程设备的数据传输和监控。

特点:

1.使用基于代理的发布/订阅消息模式,提供一对多的消息发布
2.使用 TCP/IP 提供网络连接
3.小型传输,开销很小(固定长度的头部是 2 字节),协议交换最小化,以降低网络流量
4.支持QoS,有三种消息发布服务质量:“至多一次”, “至少一次”, “只有一次”

协议主要实现和应用:

1.已经有PHP,JAVA,Python,C,C#等多个语言版本的协议框架
2.IBM Bluemix 的一个重要部分是其 IoT Foundation 服务,这是一项基于云的 MQTT 实例
3.移动应用程序也早就开始使用MQTT,如 Facebook Messenger 和com等

点评:MQTT协议一般适用于设备数据采集到端(Device-》Server,Device-》Gateway),集中星型网络架构(hub-and-spoke),不适用设备与设备之间通信,设备控制能力弱,另外实时性较差,一般都在秒级。

DDS协议(高可靠性、实时)

DDS(Data Distribution Service for Real-Time Systems),面向实时系统的数据分布服务,这是大名鼎鼎的OMG组织提出的协议,其权威性应该能证明该协议的未来应用前景。

适用范围:分布式高可靠性、实时传输设备数据通信。目前DDS已经广泛应用于国防、民航、工业控制等领域。

特点:

1.以数据为中心
2.使用无代理的发布/订阅消息模式,点对点、点对多、多对多
3.提供多大21种QoS服务质量策略

协议主要实现:

1.OpenDDS 是一个开源的 C++ 实现
2.OpenSplice DDS

点评:DDS很好地支持设备之间的数据分发和设备控制,设备和云端的数据传输,同时DDS的数据分发的实时效率非常高,能做到秒级内同时分发百万条消息到众多设备。DDS在服务质量(QoS)上提供非常多的保障途径,这也是它适用于国防军事、工业控制这些高可靠性、可安全性应用领域的原因。但这些应用都工作在有线网络下,在无线网络,特别是资源受限的情况下,没有见到过实施案例。

AMQP协议(互操作性)

AMQP(Advanced Message Queuing Protocol),先进消息队列协议,这是OASIS组织提出的,该组织曾提出OSLC(Open Source Lifecyle)标准,用于业务系统例如PLM,ERP,MES等进行数据交换。

适用范围:最早应用于金融系统之间的交易消息传递,在物联网应用中,主要适用于移动手持设备与后台数据中心的通信和分析。

特点:

1.Wire级的协议,它描述了在网络上传输的数据的格式,以字节为流
2.面向消息、队列、路由(包括点对点和发布/订阅)、可靠性、安全

协议实现:

1.Erlang中的实现有 RabbitMQ
2.AMQP的开源实现,用C语言编写OpenAMQ
3.Apache Qpid
4.stormMQ

XMPP协议(即时通信)

XMPP(Extensible Messaging and Presence Protocol)可扩展通讯和表示协议,XMPP的前身是Jabber,一个开源形式组织产生的网络即时通信协议。XMPP目前被IETF国际标准组织完成了标准化工作。

适用范围:即时通信的应用程序,还能用在网络管理、内容供稿、协同工具、档案共享、游戏、远端系统监控等。

特点:

1.客户机/服务器通信模式
2.分布式网络
3.简单的客户端,将大多数工作放在服务器端进行
4.标准通用标记语言的子集XML的数据格式

点评:XMPP是基于XML的协议,由于其开放性和易用性,在互联网及时通讯应用中运用广泛。相对HTTP,XMPP在通讯的业务流程上是更适合物联网系统的,开发者不用花太多心思去解决设备通讯时的业务通讯流程,相对开发成本会更低。但是HTTP协议中的安全性以及计算资源消耗的硬伤并没有得到本质的解决。

JMS (Java Message Service)

JMS (Java Message Service),JAVA消息服务,这是JAVA平台中著名的消息队列协议。
Java消息服务(Java Message Service)应用程序接口,是一个Java平台中关于面向消息中间件(MOM)的API,用于在两个应用程序之间,或分布式系统中发送消息,进行异步通信。Java消息服务是一个与具体平台无关的API,绝大多数MOM提供商都对JMS提供支持。

JMS是一种与厂商无关的 API,用来访问消息收发系统消息,它类似于JDBC(Java Database Connectivity)。这里,JDBC 是可以用来访问许多不同关系数据库的 API,而 JMS 则提供同样与厂商无关的访问方法,以访问消息收发服务。许多厂商都支持 JMS,包括 IBM 的 MQSeries、BEA的 Weblogic JMS service和 Progress 的 SonicMQ。 JMS 能够通过消息收发服务(有时称为消息中介程序或路由器)从一个 JMS 客户机向另一个 JMS客户机发送消息。消息是 JMS 中的一种类型对象,由两部分组成:报头和消息主体。报头由路由信息以及有关该消息的元数据组成。消息主体则携带着应用程序的数据或有效负载。根据有效负载的类型来划分,可以将消息分为几种类型,它们分别携带:简单文本(TextMessage)、可序列化的对象 (ObjectMessage)、属性集合 (MapMessage)、字节流 (BytesMessage)、原始值流 (StreamMessage),还有无有效负载的消息 (Message)。

物联网协议对比

协议应用的侧重方向

MQTT、 DDS、 AMQP、XMPP、 JMS、 REST、 CoAP这几种协议都已被广泛应用,并且每种协议都有至少10种以上的代码实现,都宣称支持实时的发布/订阅的物联网协议,但是在具体物联网系统架构设计时,需考虑实际场景的通信需求,选择合适的协议。

以智能家居为例,说明下这些协议侧重应用方向。智能家居中智能灯光控制,可以使用XMPP协议控制灯的开关;智能家居的电力供给,发电厂的发动机组的监控可以使用DDS协议;当电力输送到千家万户时,电力线的巡查和维护,可以使用MQTT协议;家里的所有电器的电量消耗,可以使用AMQP协议,传输到云端或家庭网关中进行分析;最后用户想把自家的能耗查询服务公布到互联网上,那么可以使用REST/HTTP来开放API服务。

物联网协议的选择

1.发布/订阅服务更适合物联网环境下通信

DDS、MQTT、AMQP和JMS都是基于发布/订阅模式,发布/订阅框架具有服务自发现、动态扩展、事件过滤的特点,它解决了物联网系统在应用层的数据源快速获取、物的加入和退出、兴趣订阅、降低带宽流量等问题,实现物的联接在空间上松耦合(双方无需知道通信地址)、时间上松耦合和同步松耦合。

2.服务质量(QoS)是物联网通信中的重要考虑因素

在服务策略的帮助下,DDS能够有效地控制和管理网络带宽、内存空间等资源的使用,同时也能控制数据的可靠性、实时性和数据的生存时间,通过灵活使用这些服务质量策略,DDS不仅能在窄带的无线环境上,也能在宽带的有线通信环境上开发出满足实时性需求的数据分发系统。

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Analog Devices(ADI)与比利时微电子研究中心(IMEC)建立战略研究伙伴关系,将共同开发下一代物联网(IoT)设备。

根据 Electronics Weekly 及 Design & Reuse 报导,随着IoT持续发展和成熟,到2020年,预计将有数十亿个IoT设备。这些设备依靠传感器不断监控环境、提供状态报告和接收指令。但当前的IoT传感器及其基础芯片通常太大、太贵,并且不够准确而变得不实用。

IMEC和ADI的目标为开发具全新感测功能,或感测功能大幅提升的低功耗设备。双方长期以来已合作开发高性能、低功耗、高成本效益的电路和系统,目前则在共同进行两项研发计划。

在双方战略合作架构下已展开的一项共同研究计划,重点为定位技术。IMEC项目总监Kathleen Philips表示,基于IMEC在创新超低功耗技术的全球领先地位,ADI和IMEC将开发低功耗传感器,以在智能楼宇或智能工业解决方案中进行高度精确的室内定位。具体来说,这种传感器要能以高精度定位物体,且能有比现有最佳解决方案高5倍的精度。

第二项研发计划包括打造高度整合、可用于水、血液或尿液分析等应用领域的液体传感器,并将其商业化。Philips表示,IMEC的单芯片传感器包括多个电极,在成本和尺寸方面都非常出色,同时也展现出业界领先的灵敏度和精度。

IMEC执行副总裁 Rudi Cartuyvels:ADI为市场推出专业级、高附加值传感器系统。拜ADI的商业见解及创新心态之赐,双方可打造差异化技术,以满足现代和未来的物联网市场需求。

ADI资深副总裁兼首席技术官 Peter Real: IMEC在超低功耗电路和设备的开发,以及创新智能演算法方面的长期全球领先地位已获广泛认可。ADI之所以选择与IMEC进一步合作,是因为IMEC在每个领域的专长及在科学和工业界的地位,是协助ADI成功开发下一代IoT传感器的基础。

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考虑到人工智能、量子计算、安全和网络自动化工具等技术飞速发展,2018年物联网安全将有什么新现象?

你有没有为混合型的流氓软件涌现做好准备?物联网僵尸网络要是参与加密数字货币的挖矿会怎样?物联网研究机构 IoT Institute 采访了多位物联网安全专家,发现明年行业内可能出现的相关趋势。在下文中,IoT Institute 探讨了这些趋势,同时,考虑到人工智能、量子计算、安全和网络自动化工具等相关技术飞速发展,明年还可能有什么新现象?

1. 物联网勒索软件和“综合性流氓软件”越来越普遍

今年,恶意勒索软件还在继续“扩大声势”。 李嵩是物联网安全领域初创公司青天科技的联合创始人兼首席技术官。他预计,虽然大多数传统勒索软件还在使用加密技术将用户困在计算平台之外,但一些黑客可能会开始发动多种多样的勒索软件攻击。李嵩说道:“基于物联网的勒索软件攻击可能集中在窃取数据上,或者是让目标设备无法发挥应有的功能。”

网络摄像机(IP camera)可以从大量地点、多个位置四处搜寻(比如工厂内部、私人房屋住宅等),捕捉一些用户敏感的视频片段。李嵩表示:“黑客可能会说,除非你给我比特币,否则我会到处散布这段视频。”

还有一种可能是,黑客利用网络摄像头这样的物联网设备,将流量导入一个携带流氓软件的网址。Ofer Amitai 是软件解决方案供应商 Portnox 的联合创始人兼首席执行官,他指出:“那样一来,那种网址可以从访问的端点提取数据,命令软件勒索用户,让用户赎回加密后的数据。”

黑客还有可能威胁物联网厂商,如果不支付赎金,就让物联网的设备失灵,包括一些智能门锁或者市内温控器。当然,我们根本无法保证黑客在自己的条件得到满足后说话算话,放过受害用户。Ofer Amitai 继续说道:“我们预计,黑客会用一种勒索软件攻击个人电脑,让用户无法操纵自己的电脑,最后还会找回来,说‘我们想要更多数字货币。’”

未来一年,我们可能目睹一系列进一步融合多种攻击的流氓软件,将 DDoS(分布式拒绝服务)攻击、勒索软件和其他攻击类型集于一身。Peter Tran 是加密技术公司 RSA 的高级网络防御部门总经理兼高级总监,他表示:“我更愿意把它们称作为‘综合性流氓软件’,现在这种软件增长速度很快。由于物联网设备激增,我们将无法预测花样繁多的各式攻击组合。”

2. 物联网僵尸网络将目标瞄准加密数字货币

最近,加密数字货币的市值不断飙升,随之而来的就是加密数字货币挖矿业的激烈竞争。因此,黑客企图利用这股加密数字货币的狂热捞金趋势,也再自然不过了。Amitai 这样预测表示道:“很多人相信区块链是不会被黑客攻破的。但我们已经发现,基于区块链技术的应用遭到的攻击数量越来越多。”这其中最脆弱的环节倒不是区块链本身,而是依托这种技术运行的应用。“(黑客)将更频繁地动用社交工程获取密码和私人密钥,从而攻入这些应用。”

Ankit Anubhav 是青天科技的首席安全研究员,他提到,仅在开源加密数字货币 Monero上,就已经发现物联网僵尸网络的挖矿剧增,导致黑客甚至还会利用视频摄像头进行比特币挖矿。

Tran说道:“和传统的货币价值和波动结构一样,(这么做的)风险是通过物联网僵尸网络矿工让公开市场充斥(数字货币),破坏区块链和数据完整,操纵或是直接抢劫大批加密数字货币。”

3. 当我们迎来了量子计算时代,软件供应商也需要更加重视安全问题

今年全球软件企业的量子计算竞赛更趋白热化。短短几个月内,英特尔公司就造出了包含 17 个量子位的全新芯片,而且已经交付测试;微软公司也详细展示了用于开发量子程序的新型编程语言;IBM 公司则发布了50个量子位的量子电脑原型。Louis Parks是物联网安全软件公司 SecureRF 的首席执行官,他认为,在这些科技进步影响下,量子计算可能会在十年内实现商业化,化解量子计算可能存在的安全威胁显得更为紧迫。

尽管专家们对现实世界的量子计算看法不一,对它的兴趣仍有增无减。正如美国国家安全局(NSA)所说,基于量子计算的网络攻击将淘汰过去普遍的公开密钥加密,可能令无数物联网产品面对攻击不堪一击。李嵩表示,面对量子计算,现代电脑可能变成西方科幻小说《银河系漫游指南》(The Hitchhiker's Guide to the Galaxy)里的那种“袖珍计算器”。

“对一般的电脑来说,解密可能就像不断换钥匙尝试打开一把锁,直到试出对的那把要是为止。而一部量子电脑会同时试用多把钥匙开一把锁,一次性找出哪一把才是能打开锁的钥匙。”

“我们认为,2018年会是一个重大的转折点,包括医学、汽车、数据分析和航天在内,遍布多个行业的工程师将史上首次面对量子电脑带来的挑战,”Parks说,“如果未来十年或者更久以后希望立足量子计算领域,那些半导体生产商、物联网平台供应商,以及制造产品的电子产品厂商将在2018年懂得,他们必须控制量子计算产生的安全威胁。他们将优先处理面向未来的产品,因为量子计算革命即将到来,他们要为相关的安全挑战未雨绸缪。”

李嵩同意量子计算将改变物联网安全领域格局的看法。他表示:“那就是说,量子计算还有很长一段路要走。”当前的加密机制可能在一段时间内仍有效,而即便一部量子电脑能破解数学家开发的加密程序算法,可能也要花几年时间。

用量子电脑武装的黑客增加可能是即将出现的另一个趋势。不过李嵩认为:“量子计算不仅会用于攻击,也会用于防御。”

4. 很多物联网攻击将无法探测,不为人知

去年,最臭名昭著的物联网流氓软件来自于僵尸网络 Mirai,它造成全球多家大型网站瘫痪。而在今年,最令人难忘的一个物联网僵尸网络可能是 Reaper,它又称 IoTroop。如果你和不同的人提起它,可能反应全然不同,有人认为它比 Mirai 危险得多,有人却觉得它的威胁比 Mirai 小得多。时间会证明,Reaper究竟是不是极大的威胁,而明年物联网安全的一些重大威胁可能是一些规模很小的网络攻击,它们会小得让人难以检测察觉。Tran说:

“我会称之为‘微型入侵’,我们会看到越来越多这类入侵,它攻击(物联网的)弱点,却规模较小,能逃过目前安全监控和监测技术的法网。很多安全工具在网络里防范的是一堵堵红线高墙,可很多物联网的弱点就如同一本总账里财会计算时四舍五入的小错误。从规模上看,它们不会引起人们注意,但它们可能非常危险。它们可能顺应环境而变,重新组合,自成规模,攻击速度远超基于网络且‘声势浩大’的传统攻击。”

李嵩也这么认为。他预计,逃过监测的小型物联网攻击会增多。他指出:

“如果黑客的目标是汽车,不是计算平台,可能就像在油箱上戳了一个小洞。汽车会漏一小部分油,还算能正常行驶。不利之处在于:你(黑客)仍然在毒害整个环境。”

5. 自动化将会登上舞台中央

当企业物联网的规模明显扩大,覆盖到了成千上万台设备这种级别,可能就难以做好网络和收集数据的管理工作。自动化和人工智能工具可以推行规则,监测不规律的流量模式,由此可能帮助网络管理者和网络安全人员处理混乱的局面。Amitai 预计:

“到 2018 年,自动化可能占据核心地位,成为首屈一指的安全潮流。总体而言这是好消息,因为它能保证更多操作者有足够安全的处理方式,对物联网这类固件升级存在困难的模块设备很有意义。”

Tran 认为,这种自动化得到大范围应用的行业前景,其实蕴藏着不少风险。即使面对数以百万计的交通、电力、医疗保健等庞大的基础设施,物联网领域的人工智能和基于机器学习的自动化也可能让自动化系统自动做有关它们功能的决定。而且,支持这些系统的电脑程序算法可能还会存在偏见。

6. 黑客将会定位到更多类型的互联设备

笔者了解到,去年,大量不安全的 IP 摄像头为 Mirai 僵尸网络提供了可乘之机,事实上,这是自有黑客历史记录以来规模最大的一次袭击。不过,在即将到来的 2018 年,IP 摄像头将会继续成为一个重大威胁,因为很多摄像头的密码要么是默认的,要么干脆就没有设置,而且不少黑客还通过IP摄像头为僵尸网络窃取到带宽和算力。

李嵩说道:“黑客会不断寻求各种方法、利用更多类型的设备来构建僵尸网络。比如,他们可能会利用一些没有密码、或是有弱密码的网络打印机,而在中国,黑客也正在攻击智能门锁设备。”

7. 传感器攻击将会变得无处不在

实际上,物联网算是传感器网络的一个衍生产品,因此互联网传感器本身就存在潜在安全漏洞,似乎也是合乎逻辑的。黑客可能会尝试向传感器发送一些人类无法感知的能量,来对传感器设备进行攻击。举个例子,黑客能够将基于超声波的信号发送到语音控制系统,或者将红外信号发送到摄像头上。

8. 隐私将会变成物联网对话的重要组成部分

如今,企业会越来越多地安装物联网设备,比如互联恒温器和 HVAC 系统、在会议室中配置智能电视,互联打印机、以及智能照明电灯等等。与此同时,工业物联网也在不断发展,消费者也对诸如智能扬声器这样的互联设备产生了浓厚的兴趣。虽然目前物联网设备的互联性有所提高,但是在这种“超连接(hyper-connected)”环境下产生的隐私分歧等问题暂时还是无法确定。Don DeLoach是《物联网的未来:利用数字化中心世界的转型》(The Future of IoT: Leveraging the Shift to a Data Centric World)一书作者,他表示:“隐私将会变成房间里的大象。”

另一方面,大公司对敏感数据的追踪已经引发了公众对他们的不信任,DeLoach 继续说道:“最近在美国的不少知名社交媒体网站上,人们对这些问题都进行了激烈讨论。不过,真正对这件事情重视起来的,还是欧盟——他们将会在明年五月正式生效《通用数据保护法规》。从本质上来说,这是为了保护所有个人信息,违反通用数据保护法规的企业,可能会面临高达企业年收入4%的罚款。”

《通用数据保护法规》已经引起了美国、以及其他在欧洲开展业务的跨国企业关注。DeLoach解释说:“不仅如此,绝大多数企业认为,欧盟推出的《通用数据保护法规》很可能会成为一个行业信号,未来包括北美在内的其他地区也会相继推出类似的法案。”

另一个引发业内关注的,是 2017 年美国三大征信机构之一的 Equifax 公司的数据泄露事件。这次事件波及到了全球 1.455亿人,很多身份信息(比如姓名、地址、社保号码)都被泄露了。不过DeLoach表示,未来与隐私有关的讨论主题可能会集中在其他类型的信息上,包括 IP 地址、地理位置、网页浏览记录、电话记录、客户忠诚度积分等等。

他补充说:“物联网数据可能会被很多匿名信息所充斥。这可能需要更长一段时间才能引起人们重视。不幸的是,对于欧盟和涉案企业而言,他们的时间真的不多了。就像金融服务行业早期的巴塞尔协议和 DiFID 等监管要求,《通用数据保护法规》其实是给我们敲响了警钟,呼吁各方尽早展开对物联网隐私问题的讨论。”

Tran 也表示,如果 Equifax 公司违规数据泄露事件算是足够严重的话,那么未来物联网潜在的数据泄露问题可能会更加复杂、也更加严重,因为相比于传统个人征信数据,物联网涉及到个人身份信息的数量是它的好几倍。

Tran最后说道:“在2018年,我预计有越来越多的企业会使用区块链和数据标记等技术来升级目前的个人身份信息数据结构。请记住,黑客在寻找攻击目标的时候,往往会非常有针对性,比如他们会关注数据价值和数据质量,还有数据数量和易访问程度等等。所以,企业可以‘拿掉’一个、或多个关键数据属性,这样的话,这些数据信息对网络犯罪分子的价值可能就没有那么高了。”

本文来源:2018年物联网安全八大趋势不容错过

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作者:Bob Scannell,ADI公司业务开发经理

工厂自动化和总体效率理所当然地受到巨大的关注,原因不仅是生产率提高(哪怕一点点)能带来正面效益,而且同样重要的是,它能降低或消除设备停工造成的严重损失。现在,我们可以不用仰赖分析技术的进步来洞察可用统计数据以预测维护需求,或者简单地依靠加强对技术人员的培训,而是可以通过检测与无线传输技术的进步实现真正实时的分析和控制。

精密的工业生产过程(参见图1)越来越依赖于电机和相关机械设备高效可靠、始终如一的运作。机器设备的不平衡、缺陷、紧固件松动和其它异常现象往往会转化为振动,导致精度下降,并且引发安全问题。如果置之不理,除了性能和安全问题外,若导致设备停机修理,也必然会带来生产率损失。即使设备性能发生微小的改变,这通常很难及时预测,也会迅速转化为重大的生产率损失。

图1. 工厂环境下的过程控制与维护自动化;无线检测网络的高价值目标

众所周知,过程监控和基于状态的预见性维护是一种行之有效的避免生产率损失的方法,但这种方法的复杂性与其价值不相上下。现有方法存在局限性,特别是涉及到分析振动数据(无论以何种方式获得)和确定误差源时。

详文请阅:利用无线振动传感器实现连续可靠的过程监控

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简介

同步检波器可提取淹没在噪底内的小信号,用于进行各种物理量测量,例如极小的电阻、明亮背景下的光吸收或反射量,或者存在于高噪声电平下的应变。

在很多系统中,随着频率趋近于零,噪声会不断增加。例如,运算放大器具有1/f 噪声,而光学测量易受因环境光条件变化而产生的噪声影响。在远离低频噪声处进行的测量可提高信噪比,从而可检测到较弱信号。例如,将光源调制到几千赫兹有助于测量原本会淹没在噪底内的反射光。图1 显示了调制技术如何恢复原本低于噪底的信号。

图1. 通过调制使信号远离噪声源

调制激励信号的方法有多种。最简单的方法是重复打开、关闭。在驱动LED、为应变计电桥供电的电压源和其他类型激励时,这种方法很有效。而对于光谱仪器上使用的白炽灯泡和其他不易开关的激励源,可通过使用机械快门截断光线来实现调制。调制激励信号的方法有多种。最简单的方法是重复打开、关闭。在驱动LED、为应变计电桥供电的电压源和其他类型激励时,这种方法很有效。而对于光谱仪器上使用的白炽灯泡和其他不易开关的激励源,可通过使用机械快门截断光线来实现调制。

窄带带通滤波器可滤除目标频率以外的所有其他频率,使原始信号得以恢复,但使用分立元器件设计所需的滤波器可能很难。另一种方法是考虑使用同步解调器,该器件可将调制信号恢复至直流,同时抑制与参考信号不同步的各信号。运用这种技术的设备称为锁定放大器。

图2 显示了一个简单的锁定放大器应用。用一个调制为1 kHz 的光源照射测试表面。再由光电二极管测量测试表面反射的光线,其强度与表面的污染程度成比例。参考信号和测量信号都是正弦波,并且频率和相位相同,但幅度不同。驱动光电二极管的参考信号具有固定幅度,而测量信号的幅度会随反射光量而变化。

图2. 使用锁定放大器测量表面污染程度

两个正弦波相乘所得的结果是一个具有和频与差频形式频率分量的信号。这里,两个正弦波具有相同的频率,因此结果是一个直流信号和一个两倍于原始频率的信号。负号表示它具有180°的相移。低通滤波器会滤除信号中直流分量以外的所有分量。

考虑有噪输入信号时,运用这种技术的优势将变得非常明显。相乘只会使调制频率的信号移回直流,所有其他频率分量则移至其他非零频率。图3 显示了一个具有50 Hz 和2.5 kHz 高噪声源的系统。微弱的目标信号采用1 kHz 正弦波进行调制。输入信号与参考信号相乘所得到的是一个直流信号,以及频率为950 Hz、1050 Hz、1.5 kHz、2 kHz 和3.5 kHz 的其他信号。直流信号包含所需的信息,因此可使用低通滤波器滤除其他频率。

图3. 同步解调在有50 Hz和2.5 kHz强噪声源的情况下拾取1 kHz弱信号

近目标信号的任何噪声分量均会出现在接近直流的频率上,因此必须选择附近没有强噪声源的调制频率,这点非常重要。如果无法做到这一点,则需要使用截止频率极低且响应敏锐的低通滤波器,但代价是建立时间较长。

实用锁定实现方案

生成正弦波来调制信号源可能不切实际,因此有些系统会改用方波。生成方波激励要比生成正弦波简单得多,使用简单的装置(诸如可切换模拟开关或MOSFET 的微控制器引脚)即可实现。

图4 显示了一种实现锁定放大器的简单方法。由微控制器或其他器件生成促使传感器作出响应的方波激励。第一个放大器是跨导放大器(用于光电二极管)或仪表放大器(用于应变计)。

用于激励传感器的信号还用于控制ADG619 SPDT 开关。当激励信号为正时,放大器配置为增益+1。当激励信号为负时,放大器配置为增益-1。这在数学上相当于将测量信号乘以参考方波。输出RC 滤波器会滤除任何其他频率的信号,因此输出电压是直流信号,大小等于测量方波的峰峰值电压的一半。

图4. 使用方波激励的锁定放大器

虽然电路比较简单,但选择正确的运算放大器非常重要。交流耦合输入级可滤除大部分的低频输入噪声,但不会滤除1/f 噪声和最后一个放大器产生的失调误差。ADA4077-1 精密放大器在0.1 Hz到10 Hz 范围内具有250 nV p-p 噪声以及0.55 μV/ °C的失调漂移,因此非常适合此应用。

基于方波的锁定放大器比较简单,但其噪声抑制性能及不上使用正弦波的锁定放大器。图5 显示了方波激励和参考信号的频域表示。方波由基波和所有奇次谐波的正弦波无穷和构成。将两个同频方波相乘需要将参考信号的每个正弦分量乘以测量信号的每个正弦分量。所得到的是包含方波的每个谐波能量的直流信号。奇次谐波频率下出现的干扰信号不会被滤除,不过会有所减弱,具体取决于其所处的谐波。因此,选择调制频率时应确保其谐波不是任何已知噪声源的频率或谐波,这点非常重要。例如,要抑制线路噪声,应选择1.0375 kHz 的调制频率(不会与50 Hz 或60 Hz的谐波重合),而不是使用1 kHz(这是50 Hz 的第20 个谐波)。

尽管有此缺点,但该电路简单、成本低。与尝试进行直流测量相比,使用低噪声放大器并选择合适的调制频率仍然可带来大幅改进。

图5. 如果输入信号(A)和参考信号(B)都是方波,则将它们相乘(C)可有效 解调输入信号的每个谐波。

简单的集成替代方案

图4 中的电路需要一个运算放大器、一个开关和一些分立元器件,另外还需要微处理器提供参考时钟。一种替代方案是使 用集成式同步解调器,如图6 所示。ADA2200 包含缓冲输入、可编程IIR滤波器、乘法器和可将参考信号偏移90°的模块,可轻松测量或补偿参考时钟和输入信号之间的相移。

图6. ADA2200 功能框图

使用ADA2200 实现锁定检测电路时,只需施加等于所需参考频率64 倍的时钟频率,如图7 所示。可编程滤波器的默认配置为带通响应,因而无需对信号进行交流耦合。模拟输出将以数倍于采样速率的速度生成镜像,因此可使用RC 滤波器后接Σ-Δ 型ADC 来滤除这些镜像,而仅测量信号的解调直流分量。

图7. 使用ADA2200 实现锁定放大器

改进方波锁定电路

图8 显示了方波调制电路的一种改进方式。传感器采用方波进行激励,但测量信号会与相同频率和相位的正弦波相乘。现在,只有基波频率的信号内容才会移至直流,而所有其他谐波都将移至非零频率。这样,便可轻松使用低通滤波器滤除测量信号中直流分量以外的所有其他分量。

图8. 使用正弦波作为参考信号可防止噪声解调到直流

另一个难点是,如果参考信号和测量信号之间存在任何相移,所产生的输出都会小于无相移时。如果传感器信号调理电路包含任何会造成相位延迟的滤波器,就会出现这种情况。在模拟锁定放大器中,解决该问题的唯一方法是在参考信号路径中增加相位补偿电路。这并不容易,因为电路必须可调节,以补偿各种相位延迟,并且会随温度、元件容差而变化。一个较为简单的替代方案是添加第二个乘法级,将测量信号乘以参考信号的90°相移版本。这个第二级的输出信号将与输入的反相分量成比例,如图9 所示。

经过两个乘法器级后,低通滤波器的输出为与输入的同相(I)及正交(Q)分量成比例的低频信号。要计算输入信号的幅度,只需对I 和Q 输出求平方和。这种架构的另一个好处是,可以计算激励/参考信号和输入之间的相位。

图9. 使用参考信号的正交版本计算幅度和相位

目前讨论的所有锁定放大器均会产生参考信号来激励传感器。最后一项改进是允许将外部信号用作参考信号。例如,图10 中的系统可使用宽带白炽灯来测试表面的光学特性。此类系统可以测量镜面反射率或表面污染程度等参数。与使用电子调制相比,使用机械斩波碟调制白炽灯光源会简单得多。紧挨着斩波碟的低成本位置传感器生成方波参考信号,馈入锁定放大器。锁相环不直接使用此信号,而是生成频率和相位与输入参考信号相同的正弦波。使用这种方法时必须注意一点,那就是内部生成的正弦波必须具有低失真。

图10. 使用PLL 锁定至外部参考信号

虽然使用分立式PLL 和乘法器可以实现该系统,但是使用FPGA实现锁定放大器功能会带来多个性能优势。图11 显示了使用FPGA 构建的锁定放大器, 其中前端基于零漂移放大器ADA4528-1 和24 位Σ-Δ型ADC AD7175。此应用无需极高带宽,因此可将锁定放大器的等效噪声带宽设置为50 Hz。受测器件为任何可外部激励的传感器。放大器配置为具有大小为20 的噪声增益,以充分利用ADC 的满量程范围。虽然直流误差不影响测量,但是最大限度地降低失调漂移和1/f 噪声仍然很重要,因为它们会缩小可用动态范围,尤其是在放大器配置为高增益的情况下。

ADA4528-1 具有2.5 μV 的最大输入失调误差,这意味着采用2.5 V基准电压源时只能使用AD7175 满量程输入范围的10 ppm。ADC后方的数字高通滤波器将滤除所有直流失调和低频噪声。要计算输出噪声,首先应计算AD7175 的电压噪声密度。数据手册给出的噪声规格为5.9 μV rms,测试条件是50 kSPS 输出数据速率、使用sinc5 + sinc1 滤波器且使能输入缓冲器。采用这些设置时的等效噪声带宽为21.7 kHz,这将产生40 nV/√Hz 的电压噪声密度。

ADA4528 的宽带输入噪声为5.9 nV/√Hz,这在输出端表现为118 nV/√Hz,因而总噪音密度为125 nV/√Hz。由于数字滤波器的等效噪声带宽仅为50 Hz,因此输出噪声为881 nV rms。在2.5 V的输入范围内,这会造成系统的动态范围为126 dB。通过调整低通滤波器的频率响应,我们能够以带宽来换取动态范围。例如,如果将滤波器的带宽设置为1 Hz,则动态范围为143 dB,而带宽设为250 Hz 时动态范围为119 dB。

图11. 基于FPGA 的锁定放大器

数字锁相环生成锁定至激励信号的正弦波,激励信号可以在外部或内部生成,并且不必是正弦波。参考正弦波中的任何谐波将与输入信号相乘,从而解调谐波频率中存在的噪声和其他无用信号,就像将两个方波相乘一样。以数字方式生成参考正弦波的一个优势是,可通过调整数字精度获得极低的失真性能。

图12 显示了使用4、8、16 和32 位精度以数字方式生成的四个正弦波。显然,使用4 位精度所获得的性能与图5 中的情况差别不大,但是该情况会在使用更高精度后很快得到改善。使用16 位精度时,生成具有如此低总谐波失真(THD)的模拟信号比较困难,而使用32 位精度时,THD 超过–200 dB,这是模拟电路无法比拟的。此外,这些是以数字方式生成的信号,因此完全可以重复生成。当数据转换成数字并输入FPGA 后,将不会增加任何噪声或漂移。

在乘法器之后,低通滤波器将滤除任何高频分量并输出信号的同相和正交分量。由于等效噪声带宽仅为50 Hz,因此没有理由以250 kSPS 的原始采样速率来传输数据。可在低通滤波器中加入抽取滤波器级,以降低输出数据速率。最后一步是根据同相和正交分量计算输入信号的幅度和相位。

图12. 使用不同数字精度以数字方式生成正弦波

结论

淹没在噪底内的低频小信号非常难以测量,但是通过应用调制和锁定放大器技术可以实现高精度测量。最简单的锁定放大器可以是在两个增益之间切换的运算放大器。虽然这不会带来最低噪声性能,但是与简单的直流测量相比,此电路结构简单、成本低,使其具有一定的吸引力。此电路的一项改进是使用正弦波参考和乘法器,但是这在模拟域中比较难以实现。为获得最佳性能,可考虑使用低噪声、高分辨率Σ-Δ 型ADC,对输入信号进行数字化,在数字域中生成参考正弦波以及所有其他元素。

作者:Luis Orozco

Luis Orozco是ADI公司工业和仪器仪表部的系统应用工程师。主要涉足精密仪器仪表、化学分析和环境监测应用。他于2011年2月加入ADI公司。

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