ทักษะการออกแบบห้าประการและตัวชี้วัดทางเทคนิคของเซ็นเซอร์

จำนวนเซ็นเซอร์กำลังเพิ่มจำนวนขึ้นทั่วพื้นผิวโลกและในอวกาศรอบตัวเรา ทำให้โลกได้รับข้อมูลมากมาย เซ็นเซอร์ราคาไม่แพงเหล่านี้เป็นแรงขับเคลื่อนสำคัญเบื้องหลังการพัฒนาอินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง (IoT) และการปฏิวัติทางดิจิทัลที่สังคมของเรากำลังเผชิญอยู่ อย่างไรก็ตาม การเชื่อมต่อและการเข้าถึงข้อมูลจากเซ็นเซอร์นั้นไม่ได้ราบรื่นหรือสะดวกเสมอไป บทความนี้จะนำเสนอตัวชี้วัดทางเทคนิคของเซ็นเซอร์ ทักษะการออกแบบ 5 ประการ และองค์กร OEM

ประการแรก ดัชนีทางเทคนิคเป็นพื้นฐานเชิงวัตถุวิสัยในการกำหนดลักษณะการทำงานของผลิตภัณฑ์ การทำความเข้าใจตัวชี้วัดทางเทคนิคจะช่วยให้สามารถเลือกและใช้งานผลิตภัณฑ์ได้อย่างถูกต้อง ตัวชี้วัดทางเทคนิคของเซ็นเซอร์แบ่งออกเป็นตัวชี้วัดแบบคงที่และตัวชี้วัดแบบไดนามิก ตัวชี้วัดแบบคงที่ส่วนใหญ่จะตรวจสอบประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ภายใต้สภาวะคงที่ ซึ่งรวมถึงความละเอียด ความสามารถในการทำซ้ำ ความไว ความเป็นเส้นตรง ข้อผิดพลาดในการส่งกลับ ค่าเกณฑ์ การคืบคลาน ความเสถียร และอื่นๆ ตัวชี้วัดแบบไดนามิกส่วนใหญ่จะตรวจสอบประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ภายใต้สภาวะการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว ซึ่งรวมถึงการตอบสนองความถี่และการตอบสนองแบบขั้นบันได

เนื่องจากตัวชี้วัดทางเทคนิคของเซ็นเซอร์มีมากมาย ข้อมูลและเอกสารต่างๆ จึงถูกอธิบายจากมุมมองที่แตกต่างกัน ทำให้ผู้คนมีความเข้าใจที่แตกต่างกัน หรืออาจเกิดความเข้าใจผิดและความคลุมเครือได้ ดังนั้น จึงขออธิบายตัวชี้วัดทางเทคนิคหลักๆ ของเซ็นเซอร์ดังต่อไปนี้:

1. ความละเอียดและความละเอียด:

คำจำกัดความ: ความละเอียดหมายถึงการเปลี่ยนแปลงที่เล็กที่สุดที่เซ็นเซอร์สามารถตรวจจับได้ ความละเอียดหมายถึงอัตราส่วนของความละเอียดต่อค่าเต็มสเกล

การตีความที่ 1: ความละเอียดเป็นตัวบ่งชี้พื้นฐานที่สุดของเซ็นเซอร์ มันแสดงถึงความสามารถของเซ็นเซอร์ในการแยกแยะวัตถุที่วัดได้ คุณสมบัติทางเทคนิคอื่นๆ ของเซ็นเซอร์จะถูกอธิบายในแง่ของความละเอียดซึ่งเป็นหน่วยขั้นต่ำ

สำหรับเซ็นเซอร์และเครื่องมือที่มีจอแสดงผลดิจิทัล ความละเอียดจะเป็นตัวกำหนดจำนวนหลักขั้นต่ำที่จะแสดง ตัวอย่างเช่น ความละเอียดของเวอร์เนียร์คาลิเปอร์แบบดิจิทัลอิเล็กทรอนิกส์คือ 0.01 มม. และความคลาดเคลื่อนของตัวแสดงผลคือ ±0.02 มม.

การตีความที่ 2: ความละเอียดคือตัวเลขสัมบูรณ์ที่มีหน่วยกำกับ ตัวอย่างเช่น ความละเอียดของเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิคือ 0.1℃ ความละเอียดของเซ็นเซอร์วัดความเร่งคือ 0.1g เป็นต้น

การตีความที่ 3: ความละเอียดเป็นแนวคิดที่เกี่ยวข้องและคล้ายคลึงกับความละเอียดมาก โดยทั้งสองอย่างแสดงถึงความละเอียดของเซ็นเซอร์ต่อการวัด

ความแตกต่างหลักคือ ความละเอียดจะแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ของความละเอียดของเซ็นเซอร์ มันเป็นค่าสัมพัทธ์และไม่มีหน่วยวัด ตัวอย่างเช่น ความละเอียดของเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิคือ 0.1℃ ช่วงการวัดเต็มที่คือ 500℃ ดังนั้นความละเอียดคือ 0.1/500 = 0.02%

2. ความสามารถในการทำซ้ำ:

คำจำกัดความ: ความสามารถในการวัดซ้ำของเซ็นเซอร์ หมายถึง ระดับความแตกต่างระหว่างผลการวัดเมื่อทำการวัดซ้ำหลายครั้งในทิศทางเดียวกันภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน เรียกอีกอย่างว่า ข้อผิดพลาดในการวัดซ้ำ ข้อผิดพลาดในการสร้างซ้ำ เป็นต้น

การตีความที่ 1: ความสามารถในการทำซ้ำของเซนเซอร์ต้องหมายถึงระดับความแตกต่างระหว่างการวัดหลายครั้งที่ได้ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน หากเงื่อนไขการวัดเปลี่ยนแปลง ความสามารถในการเปรียบเทียบผลการวัดจะหายไป ซึ่งไม่สามารถนำมาใช้เป็นพื้นฐานในการประเมินความสามารถในการทำซ้ำได้

การตีความที่ 2: ความสามารถในการทำซ้ำของเซ็นเซอร์แสดงถึงการกระจายตัวและความไม่แน่นอนของผลการวัดของเซ็นเซอร์ สาเหตุของการกระจายตัวและความไม่แน่นอนดังกล่าวคือ การรบกวนแบบสุ่มต่างๆ ย่อมเกิดขึ้นภายในและภายนอกเซ็นเซอร์อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ส่งผลให้ผลการวัดสุดท้ายของเซ็นเซอร์แสดงลักษณะของตัวแปรสุ่ม

การตีความที่ 3: ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานของตัวแปรสุ่มสามารถใช้เป็นตัวบ่งชี้เชิงปริมาณที่สามารถทำซ้ำได้

การตีความข้อที่ 4: สำหรับการวัดซ้ำหลายครั้ง ความแม่นยำในการวัดจะสูงขึ้นหากนำค่าเฉลี่ยของการวัดทั้งหมดมาใช้เป็นผลการวัดสุดท้าย เนื่องจากค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานของค่าเฉลี่ยมีค่าน้อยกว่าค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานของการวัดแต่ละครั้งอย่างมีนัยสำคัญ

3. ความเป็นเส้นตรง:

คำจำกัดความ: ความเป็นเส้นตรง (Linearity) หมายถึง การเบี่ยงเบนของเส้นโค้งอินพุตและเอาต์พุตของเซ็นเซอร์จากเส้นตรงในอุดมคติ

การตีความที่ 1: ความสัมพันธ์ระหว่างอินพุตและเอาต์พุตของเซ็นเซอร์ในอุดมคติควรเป็นแบบเชิงเส้น และเส้นโค้งอินพุต/เอาต์พุตควรเป็นเส้นตรง (เส้นสีแดงในรูปด้านล่าง)

อย่างไรก็ตาม เซ็นเซอร์จริงนั้นมีข้อผิดพลาดอยู่บ้าง ทำให้เส้นกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอินพุตและเอาต์พุตไม่ใช่เส้นตรงที่สมบูรณ์แบบ แต่เป็นเส้นโค้ง (เส้นโค้งสีเขียวในรูปด้านล่าง)

ความเป็นเส้นตรง คือระดับความแตกต่างระหว่างเส้นโค้งลักษณะเฉพาะจริงของเซ็นเซอร์กับเส้นตรงที่วัดได้แบบออฟไลน์ หรือเรียกอีกอย่างว่าความไม่เป็นเส้นตรง หรือข้อผิดพลาดที่ไม่เป็นเส้นตรง

การตีความที่ 2: เนื่องจากความแตกต่างระหว่างเส้นโค้งลักษณะเฉพาะจริงของเซ็นเซอร์กับเส้นตรงในอุดมคติจะแตกต่างกันไปตามขนาดของการวัดที่แตกต่างกัน อัตราส่วนของค่าสูงสุดของความแตกต่างต่อค่าช่วงเต็มจึงมักถูกนำมาใช้ในช่วงเต็ม เห็นได้ชัดว่าความเป็นเส้นตรงก็เป็นปริมาณเชิงสัมพัทธ์เช่นกัน

การตีความที่ 3: เนื่องจากไม่ทราบเส้นที่เหมาะสมที่สุดของเซ็นเซอร์สำหรับสถานการณ์การวัดทั่วไป จึงไม่สามารถหาได้ ด้วยเหตุนี้ จึงมักใช้วิธีการประนีประนอม กล่าวคือ ใช้ผลการวัดของเซ็นเซอร์โดยตรงเพื่อคำนวณเส้นที่เหมาะสมที่สุดซึ่งใกล้เคียงกับเส้นที่เหมาะสมที่สุด วิธีการคำนวณเฉพาะ ได้แก่ วิธีเส้นปลาย วิธีเส้นที่ดีที่สุด วิธีกำลังสองน้อยที่สุด และอื่นๆ

4. ความเสถียร:

คำจำกัดความ: ความเสถียร คือ ความสามารถของเซ็นเซอร์ในการรักษาประสิทธิภาพการทำงานไว้ได้ในช่วงระยะเวลาหนึ่ง

การตีความที่ 1: ความเสถียรเป็นดัชนีหลักในการตรวจสอบว่าเซ็นเซอร์ทำงานได้อย่างเสถียรในช่วงเวลาที่กำหนดหรือไม่ ปัจจัยที่นำไปสู่ความไม่เสถียรของเซ็นเซอร์ส่วนใหญ่ได้แก่ การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและการคลายตัวของความเครียดภายใน ดังนั้น การเพิ่มการชดเชยอุณหภูมิและการบำบัดด้วยความร้อนจึงเป็นประโยชน์ในการปรับปรุงความเสถียร

การตีความที่ 2: ความเสถียรสามารถแบ่งออกเป็นความเสถียรระยะสั้นและความเสถียรระยะยาวตามระยะเวลา เมื่อระยะเวลาการสังเกตสั้นเกินไป ความเสถียรและความสามารถในการทำซ้ำจะใกล้เคียงกัน ดังนั้น ดัชนีความเสถียรจึงตรวจสอบความเสถียรระยะยาวเป็นหลัก ระยะเวลาที่เฉพาะเจาะจงนั้นจะกำหนดตามสภาพแวดล้อมการใช้งานและข้อกำหนด

การตีความที่ 3: ทั้งค่าความคลาดเคลื่อนสัมบูรณ์และค่าความคลาดเคลื่อนสัมพัทธ์สามารถใช้ในการแสดงค่าดัชนีความเสถียรในเชิงปริมาณได้ ตัวอย่างเช่น เซ็นเซอร์วัดแรงแบบความเครียดมีความเสถียรอยู่ที่ 0.02%/12 ชั่วโมง

5. ความถี่ในการสุ่มตัวอย่าง:

คำจำกัดความ: อัตราการสุ่มตัวอย่าง หมายถึง จำนวนผลการวัดที่เซ็นเซอร์สามารถสุ่มตัวอย่างได้ต่อหน่วยเวลา

การตีความที่ 1: ความถี่ในการสุ่มตัวอย่างเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญที่สุดของลักษณะไดนามิกของเซ็นเซอร์ ซึ่งสะท้อนถึงความสามารถในการตอบสนองอย่างรวดเร็วของเซ็นเซอร์ ความถี่ในการสุ่มตัวอย่างเป็นหนึ่งในตัวบ่งชี้ทางเทคนิคที่ต้องพิจารณาอย่างครบถ้วนในกรณีที่มีการเปลี่ยนแปลงการวัดอย่างรวดเร็ว ตามกฎการสุ่มตัวอย่างของแชนนอน ความถี่ในการสุ่มตัวอย่างของเซ็นเซอร์ไม่ควรน้อยกว่า 2 เท่าของความถี่ในการเปลี่ยนแปลงของค่าที่วัดได้

การตีความที่ 2: เมื่อใช้ความถี่ที่แตกต่างกัน ความแม่นยำของเซ็นเซอร์ก็จะแตกต่างกันไปด้วย โดยทั่วไปแล้ว ยิ่งความถี่ในการสุ่มตัวอย่างสูง ความแม่นยำในการวัดก็จะยิ่งต่ำลง

โดยทั่วไปแล้ว ความแม่นยำสูงสุดของเซ็นเซอร์มักจะเกิดขึ้นที่ความเร็วในการสุ่มตัวอย่างต่ำที่สุด หรือแม้กระทั่งในสภาวะคงที่ ดังนั้น ความแม่นยำและความเร็วจึงต้องนำมาพิจารณาในการเลือกเซ็นเซอร์

เคล็ดลับการออกแบบเซ็นเซอร์ 5 ข้อ

1. เริ่มต้นด้วยเครื่องมือบัส

ขั้นตอนแรก วิศวกรควรเริ่มต้นด้วยการเชื่อมต่อเซ็นเซอร์ผ่านเครื่องมือบัสก่อน เพื่อลดความไม่แน่นอน เครื่องมือบัสจะเชื่อมต่อคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล (PC) กับเซ็นเซอร์ผ่านโปรโตคอล I2C, SPI หรือโปรโตคอลอื่นๆ ที่ช่วยให้เซ็นเซอร์ "สื่อสาร" ได้ แอปพลิเคชันใน PC ที่เชื่อมโยงกับเครื่องมือบัสจะให้แหล่งข้อมูลที่รู้จักและใช้งานได้สำหรับการส่งและรับข้อมูล ซึ่งไม่ใช่ไดรเวอร์ไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) แบบฝังตัวที่ไม่รู้จักและไม่ได้รับการตรวจสอบสิทธิ์ ในบริบทของยูทิลิตี้บัส นักพัฒนาสามารถส่งและรับข้อความเพื่อทำความเข้าใจวิธีการทำงานของส่วนนั้นก่อนที่จะพยายามใช้งานในระดับฝังตัว

2. เขียนโค้ดส่วนต่อประสานการส่งข้อมูลด้วยภาษา Python

เมื่อนักพัฒนาได้ลองใช้เซ็นเซอร์ของเครื่องมือบัสแล้ว ขั้นตอนต่อไปคือการเขียนโค้ดแอปพลิเคชันสำหรับเซ็นเซอร์ แทนที่จะข้ามไปเขียนโค้ดไมโครคอนโทรลเลอร์โดยตรง ให้เขียนโค้ดแอปพลิเคชันด้วย Python เครื่องมือบัสหลายตัวจะกำหนดค่าปลั๊กอินและโค้ดตัวอย่างเมื่อเขียนสคริปต์ ซึ่ง Python มักจะใช้ .NET ซึ่งเป็นหนึ่งในภาษาที่มีอยู่ใน .NET การเขียนแอปพลิเคชันด้วย Python นั้นรวดเร็วและง่าย และเป็นวิธีทดสอบเซ็นเซอร์ในแอปพลิเคชันที่ไม่ซับซ้อนเท่ากับการทดสอบในสภาพแวดล้อมแบบฝังตัว การมีโค้ดระดับสูงจะทำให้วิศวกรที่ไม่ใช่ผู้เชี่ยวชาญด้านระบบฝังตัวสามารถวิเคราะห์สคริปต์และทดสอบเซ็นเซอร์ได้ง่ายโดยไม่ต้องพึ่งพาผู้เชี่ยวชาญด้านซอฟต์แวร์ฝังตัว

3. ทดสอบเซ็นเซอร์ด้วย Micro Python

ข้อดีอย่างหนึ่งของการเขียนโค้ดแอปพลิเคชันครั้งแรกด้วย Python คือ การเรียกใช้ API ของ Bus-utility สามารถแทนที่ได้ง่ายๆ ด้วยการเรียกใช้ Micro Python Micro Python ทำงานในซอฟต์แวร์ฝังตัวแบบเรียลไทม์ ซึ่งมีเซ็นเซอร์มากมายให้วิศวกรได้เข้าใจถึงคุณค่าของมัน Micro Python ทำงานบนโปรเซสเซอร์ Cortex-M4 และเป็นสภาพแวดล้อมที่ดีสำหรับการดีบักโค้ดแอปพลิเคชัน ไม่เพียงแต่จะง่ายเท่านั้น ยังไม่จำเป็นต้องเขียนไดรเวอร์ I2C หรือ SPI เนื่องจากมีอยู่ในไลบรารีฟังก์ชันของ Micro Python อยู่แล้ว

4. ใช้รหัสผู้จำหน่ายเซ็นเซอร์

โค้ดตัวอย่างใดๆ ที่สามารถ "คัดลอก" มาจากผู้ผลิตเซ็นเซอร์นั้น วิศวกรจะต้องใช้ความพยายามอย่างมากในการทำความเข้าใจว่าเซ็นเซอร์ทำงานอย่างไร น่าเสียดายที่ผู้ผลิตเซ็นเซอร์หลายรายไม่ใช่ผู้เชี่ยวชาญด้านการออกแบบซอฟต์แวร์ฝังตัว ดังนั้นอย่าคาดหวังว่าจะพบตัวอย่างที่พร้อมใช้งานจริงที่มีสถาปัตยกรรมที่สวยงามและสง่างาม เพียงแค่ใช้โค้ดของผู้ผลิต เรียนรู้ว่าส่วนนี้ทำงานอย่างไร และความยุ่งยากในการปรับปรุงแก้ไขจะเกิดขึ้นจนกว่าจะสามารถผสานรวมเข้ากับซอฟต์แวร์ฝังตัวได้อย่างราบรื่น อาจเริ่มต้นด้วยโค้ดที่ยุ่งเหยิง แต่การใช้ประโยชน์จากความเข้าใจของผู้ผลิตเกี่ยวกับวิธีการทำงานของเซ็นเซอร์จะช่วยลดวันหยุดสุดสัปดาห์ที่เสียไปก่อนที่ผลิตภัณฑ์จะเปิดตัวได้

5. ใช้ไลบรารีของฟังก์ชันการรวมข้อมูลจากเซ็นเซอร์

เป็นไปได้ว่าอินเทอร์เฟซการส่งข้อมูลของเซ็นเซอร์นั้นไม่ใช่ของใหม่และไม่เคยมีมาก่อน ไลบรารีฟังก์ชันต่างๆ ที่รู้จักกันดี เช่น “ไลบรารีฟังก์ชันการรวมเซ็นเซอร์” ที่ผู้ผลิตชิปหลายรายจัดหาให้ ช่วยให้นักพัฒนาเรียนรู้ได้อย่างรวดเร็ว หรือดียิ่งขึ้น และหลีกเลี่ยงวงจรการพัฒนาใหม่หรือการปรับเปลี่ยนสถาปัตยกรรมของผลิตภัณฑ์อย่างมาก เซ็นเซอร์จำนวนมากสามารถรวมเข้าเป็นประเภทหรือหมวดหมู่ทั่วไปได้ และประเภทหรือหมวดหมู่เหล่านี้จะช่วยให้การพัฒนาไดรเวอร์เป็นไปอย่างราบรื่น ซึ่งหากจัดการอย่างเหมาะสมแล้ว ไดรเวอร์เหล่านั้นแทบจะใช้งานได้ทั่วไปหรือนำกลับมาใช้ซ้ำได้ยาก ค้นหาไลบรารีฟังก์ชันการรวมเซ็นเซอร์เหล่านี้และเรียนรู้จุดแข็งและจุดอ่อนของมัน

เมื่อมีการผสานรวมเซ็นเซอร์เข้ากับระบบฝังตัว มีหลายวิธีที่จะช่วยปรับปรุงเวลาในการออกแบบและความสะดวกในการใช้งาน นักพัฒนาจะไม่ "ผิดพลาด" หากเรียนรู้วิธีการทำงานของเซ็นเซอร์ในระดับนามธรรมสูงตั้งแต่เริ่มต้นการออกแบบและก่อนที่จะผสานรวมเข้ากับระบบระดับต่ำกว่า แหล่งข้อมูลมากมายที่มีอยู่ในปัจจุบันจะช่วยให้นักพัฒนา "เริ่มต้นใช้งานได้ทันที" โดยไม่ต้องเริ่มจากศูนย์