無線傳感器的關(guān)鍵需求是可以放置在工業(yè)機械，飛機噴氣發(fā)動機和風(fēng)力渦輪發(fā)電機等旋轉(zhuǎn)部件上，以執(zhí)行關(guān)鍵部件的健康監(jiān)測。無線傳感器由于其相對低的成本和功率要求而在旋轉(zhuǎn)機械的狀態(tài)監(jiān)測中越來越受歡迎。利用他們的無線連接，數(shù)據(jù)可以發(fā)送到工廠管理網(wǎng)絡(luò)或推送到云端，可以用來遠程監(jiān)控世界任何地方的關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)部件，為工程師提供設(shè)備故障的高級警告，并允許他們優(yōu)化維護安排和減少停機時間。

其他潛在的應(yīng)用包括可以實時平衡負載的洗衣機，監(jiān)控?zé)崃亢涂刂茲櫥瑒┳⑷氲你@頭，監(jiān)控著陸輪軸承摩擦的傳感器等等。將無線傳感器放在實際的旋轉(zhuǎn)部件上是一項非常重要的任務(wù)。雖然功率和信號可以通過一系列簡單的電刷和換向器，但是當(dāng)存在更精確的解決方案時，即使它更復(fù)雜，這也不是一個好方法。更重要的是，在制造應(yīng)用中，機器中存在的磁場可以阻擋無線傳感器之間傳輸?shù)男盘?。本文著眼于無線技術(shù)，允許旋轉(zhuǎn)機器內(nèi)的低功率傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行無線通信。

更簡單更好

藍牙，Wi-Fi，ZigBee和6LoWPan無線鏈接都是成熟的技術(shù)。它們需要與數(shù)字無線電緊密耦合的相當(dāng)高端的處理器。隨著這些技術(shù)的發(fā)展，越來越多的傳感器將內(nèi)置無線功能和協(xié)議。毫無疑問，那些沒有集成無線功能的傳感器將在外部添加。通常，這些設(shè)計需要相當(dāng)大的堆棧和專用數(shù)字無線電電路，并且可以消耗大量功率，尤其是在發(fā)現(xiàn)模式中。

旋轉(zhuǎn)部件內(nèi)部空間狹窄。 100針以上的高端處理器需要晶體，RAM，平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器，驅(qū)動器等，工程師將很難將這些部件安裝到旋轉(zhuǎn)機械中。更重要的是，這些高功率的豬不能運行通常用于為遠程傳感器供電的低水平可收獲能源。這意味著需要小型，低功耗，AM，F(xiàn)M，PM和更簡單的ISM鏈路。讓我們來看一個說明這一點的應(yīng)用程序。假設(shè)我們正在構(gòu)建一臺數(shù)控機床，我們希望監(jiān)控每個裝訂夾頭的壓力，以尋找不平衡并監(jiān)控切削工具的應(yīng)力。每個卡盤元件都可以通過磁鐵/線對（圖1）無線獲取電力，并根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)驅(qū)動具有壓控振蕩器（VCO）的低功率，超短距離RF發(fā)射器。低成本接收器使用解碼的音調(diào)或頻率來提取應(yīng)變和壓力信息。解決方案簡單，成本低，可靠，體積小

圖1：簡單的感應(yīng)式能量收集可以提供足夠的功率來偏置驅(qū)動VCO的基本模擬傳感器。 VCO頻率或音調(diào)可通過小型低功率AM或FM鏈路傳輸，可通過解碼將傳感器數(shù)據(jù)提供給微型傳感器。雖然這些低成本發(fā)射器中的許多可以使用少量晶體管設(shè)計IC制造商在制造相當(dāng)小，阻抗平衡，溫度補償和高度集成的解決方案方面做得更好，這些解決方案可以利用單片基板上固有的晶體管匹配。例如，小型8 -pin Melexis Technologies MLX72013KDC是一款高度集成的專用發(fā)送器，適用于425至445 MHz范圍（圖2）。它使用更簡單的ASK/FSK調(diào)制技術(shù)，可以產(chǎn)生高達40 kbit/s的數(shù)據(jù)速率。

圖2：雖然制作RF只需要幾個晶體管發(fā)射器，為了更多的PCB空間，可以獲得更全面，匹配和溫度補償?shù)慕鉀Q方案。

通過外部晶體穩(wěn)定，開路集電極輸出可以直接驅(qū)動小環(huán)形天線，或使用小，用于50歐姆外部或基于PCB的天線的分立式天線匹配網(wǎng)絡(luò)。由于發(fā)射和接收之間的距離可能會有所不同，因此一個特別好的功能是輸出功率可調(diào)節(jié)性，從-14到+11 dBm分四步進行。低至1.95 V的操作也非常適合從旋轉(zhuǎn)感應(yīng)，壓電振動甚至光電池中獲取能量。

Melexis和其他公司也生產(chǎn)配套接收器，如MLX71122RLQ，可在ASK，F(xiàn)SK或FM模式下工作實現(xiàn)適度的100 kHz數(shù)據(jù)速率?？梢允褂冒藗€預(yù)定義的頻率范圍，或者3線接口允許將您自己想要的頻率設(shè)置為27到930 MHz。為了最大限度地降低功耗和復(fù)雜性，內(nèi)部使用了經(jīng)過驗證的雙轉(zhuǎn)換超外差方法。

Atmel還提供適用于1 GHz以下幾種頻率范圍的小型，低功耗發(fā)射器，接收器和收發(fā)器。例如，小型8引腳50 kbaud基于ASK或FSK的ATA8403C發(fā)送器，用于868至928 MHz操作。這些器件還采用晶體控制，電壓低至2.0 V，并結(jié)合了PLL和環(huán)路濾波器，VCO以及高能效的單端天線驅(qū)動器和LNA。由于VCO鎖定為64 X，小尺寸和低成本的13.5672或14.2969 MHz外部晶體可分別產(chǎn)生精確的868.3和915 MHz頻率。

雖然發(fā)射器只能在8.5 mA時輸出+5.5 dBm，但可以通過較小的天線使用較少的輸出功率建立短而可靠的RF鏈路。 Atmel還提供了一個有用的帶有這些部件的天線布局指南，展示了如何將功率要求與集成放大器相匹配。一些電路板環(huán)形天線設(shè)計也在應(yīng)用筆記中有所說明。1

Maxim在這個領(lǐng)域提供了一個很好的產(chǎn)品，其MAX7044AKA是另一個小型8引腳發(fā)送器，依賴于300至450 MHz范圍內(nèi)的ASK調(diào)制。簡單的開關(guān)鍵控（OOK）在2.1至2.7 V輸入范圍內(nèi)支持高達100 kbits/s的數(shù)據(jù)吞吐量，并且在激活時通常消耗7.7 mA。

一個特別好的功能是自動關(guān)閉模式可以放置器件在低功耗模式下，如果數(shù)據(jù)輸入沒有切換特定的等待時間。短距離鏈路的另一個有用功能是通過簡單的電阻編程實現(xiàn)可調(diào)輸出功率電平控制（圖3）。

圖3：Maxim部分的一個很好的特性是可調(diào)節(jié)的通過使用電阻進行功率編程。

該部分還提供開漏輸出級，可以適應(yīng)驅(qū)動不同的阻抗，如PCB和環(huán)形天線。功率控制采用天線匹配網(wǎng)絡(luò)進行調(diào)諧，其理想阻抗為125Ω。

您還應(yīng)該看看Micrel部件，例如小型1.8至3.6 V 10引腳UHF（300至450 MHz） ASK/FSK變送器 - MICRF112YMM。這是該公司QwikRadio系列的成員，包括發(fā)射器，接收器和開發(fā)套件，如MICRF112-433評估板。

MICRF112YMM在11 mA時具有高10 dBm輸出功率，同時以50 kbaud提供數(shù)據(jù)在ASK模式下的速率。 FSK模式最高可達10 kbits/s，適用于9，600波特鏈路。與其他幾個部件一樣，這些部件具有非常低的元件數(shù)量的簡單設(shè)計（圖4）。

圖4：這些簡單發(fā)射器的一個很好的特性是減少了外部元件數(shù)量。大多數(shù)人將使用晶體來提高穩(wěn)定性，并使用分立的天線匹配網(wǎng)絡(luò)來優(yōu)化性能。另一個選擇來自Silicon Labs，其EZ Radio系列包括從119 MHz到近1 GHz的收發(fā)器，接收器和發(fā)射器，以及數(shù)據(jù)速率高達1 Mbit/s。

如果空間不是問題

并非每個旋轉(zhuǎn)機器都有空間限制，并且?guī)讉€通用部件在這里可以很好地發(fā)揮作用，特別是作為收發(fā)器。通過使鏈路雙向，傳感器可以進行調(diào)整，校準(zhǔn)和調(diào)整，以提供更高的精度水平以及卓越的診斷功能。較大尺寸的旋轉(zhuǎn)部件也可為電池提供空間;消除了大量的能量收集要求，并在嘈雜的環(huán)境中提供更高的發(fā)射功率。

32引腳ADI公司ADF7023收發(fā)器等較大的器件可在902至958 MHz ISM頻段內(nèi)提供高達300 kHz的數(shù)據(jù)速率。較高的發(fā)射電流（32 mA，2.2至3.6 V）可能使其無法用于極低能量收集系統(tǒng)，但其12.8 mA的低接收電流使其成為良好的基站部件。

同樣，24 ADI公司ADF7012BRUZ-RL等基板部件僅為發(fā)射器部件，工作頻率范圍為75 MHz至1 GHz。這些器件還具有五種不同的調(diào)制方案，睡眠時間《0.1μA。雖然靈活，但這類零件需要嵌入式微型，因為它們是通過三線串行接口設(shè)置的。 ADI公司為其ASF7xxx ISM收發(fā)器提供產(chǎn)品培訓(xùn)模塊，可在Digi-Key網(wǎng)站上找到。

總之，無論是應(yīng)用于真空吸塵器中的調(diào)諧風(fēng)力發(fā)電機，還是用于監(jiān)控三相感應(yīng)電動機或衛(wèi)星中的旋轉(zhuǎn)控制器，在實際旋轉(zhuǎn)元件中嵌入傳感器提供更好的設(shè)備狀態(tài)和控制數(shù)據(jù)。本文介紹了幾種低成本和低風(fēng)險的選項，可以為傳感器無法過去的地方提供快速可靠的無線電鏈路。