【導讀】工業傳感器在智能制造中的核心作用與發展趨勢。智能傳感器正從單純的數據采集單元升級為集成模擬前端和AI能力的智能節點，通過安森美的Treo平臺和NCS32100、NCV75215等實例，展示了傳感器控制器如何實現高精度測量和自適應決策。隨著工業5.0推進，支持AI的傳感器將推動人機協作和可持續發展，為智能制造提供關鍵技術支持。
從傳感器AFE到支持AI的傳感器控制器，安森美全鏈路賦能智能制造
作者：安森美
在《智能制造中，如何為物理AI挑選傳感器》一文中，探討了工業傳感器如何作為智能制造中物理 AI 系統的神經系統發揮作用。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化性能。本文將更深入地探討工業傳感器如何不斷發展，并推動智能制造中物理 AI 的進步。
工業 4.0 和物聯網趨勢導致智能傳感器的爆發式增長。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送至控制器進行決策，更是能夠主動優化延遲并提高工廠吞吐量。
此外，工業 5.0（即智能制造）正在向以人為本的方法發生重大轉變，推動安全傳感器的擴展，使人機協作成為可能，同時環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。
傳感器創新
為了構建傳感器，系統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)、接口和系統功能，這些 IC 與傳感元件協同工作，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。
工業傳感器的未來趨勢
正如工業 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 5.0 進一步推動了人與機器在工廠現場的協同交互，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。相較于傳統位置傳感器方案，電感式檢測技術具備獨特優勢，包括耐溫性更強、機械結構更簡單以及優異的抗污染能力等。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，非常適用于工業自動化、環境導航、過程控制、醫療及無損檢測等應用領域。
工業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，也在為各行各業的可持續性、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應用對精確可靠測量與自適應 (AI/ML) 變化工況的嚴苛需求。
安森美致力于持續創新傳感器驅動解決方案，擁抱 AI 技術，在智能制造領域保持領先地位。
