無線傳感器的關(guān)鍵需求是可以放置在工業(yè)機(jī)械，飛機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)等旋轉(zhuǎn)部件上，以執(zhí)行關(guān)鍵部件的健康監(jiān)測(cè)。無線傳感器由于其相對(duì)低的成本和功率要求而在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(yuǎn)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(jí)警告，并允許他們優(yōu)化維護(hù)安排和減少停機(jī)時(shí)間。

其他潛在的應(yīng)用包括可以實(shí)時(shí)平衡負(fù)載的洗衣機(jī)，監(jiān)控?zé)崃亢涂刂茲?rùn)滑劑注入的鉆頭，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(shí)際的旋轉(zhuǎn)部件上是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)。雖然功率和信號(hào)可以通過一系列簡(jiǎn)單的電刷和換向器，但是當(dāng)存在更精確的解決方案時(shí)，即使它更復(fù)雜，這也不是一個(gè)好方法。更重要的是，在制造應(yīng)用中，機(jī)器中存在的磁場(chǎng)可以阻擋無線傳感器之間傳輸?shù)男盘?hào)。本文著眼于無線技術(shù)，允許旋轉(zhuǎn)機(jī)器內(nèi)的低功率傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行無線通信。

更簡(jiǎn)單更好

藍(lán)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(jì)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(dòng)器等，工程師將很難將這些部件安裝到旋轉(zhuǎn)機(jī)械中。更重要的是，這些高功率的豬不能運(yùn)行通常用于為遠(yuǎn)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(jiǎn)單的ISM鏈路。讓我們來看一個(gè)說明這一點(diǎn)的應(yīng)用程序。假設(shè)我們正在構(gòu)建一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，我們希望監(jiān)控每個(gè)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(gè)卡盤元件都可以通過磁鐵/線對(duì)（圖1）無線獲取電力，并根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)單，成本低，可靠，體積小

圖1：簡(jiǎn)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(dòng)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(jì)IC制造商在制造相當(dāng)小，阻抗平衡，溫度補(bǔ)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(jiǎn)單的ASK/FSK調(diào)制技術(shù)，可以產(chǎn)生高達(dá)40 kbit/s的數(shù)據(jù)速率。

圖2：雖然制作RF只需要幾個(gè)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(bǔ)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(dòng)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(huì)有所不同，因此一個(gè)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(jìn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)適度的100 kHz數(shù)據(jù)速率。可以使用八個(gè)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(yàn)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(dòng)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(shí)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(gè)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(jì)也在應(yīng)用筆記中有所說明。1

Maxim在這個(gè)領(lǐng)域提供了一個(gè)很好的產(chǎn)品，其MAX7044AKA是另一個(gè)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(jiǎn)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(dá)100 kbits/s的數(shù)據(jù)吞吐量，并且在激活時(shí)通常消耗7.7 mA。

一個(gè)特別好的功能是自動(dòng)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(shí)間。短距離鏈路的另一個(gè)有用功能是通過簡(jiǎn)單的電阻編程實(shí)現(xiàn)可調(diào)輸出功率電平控制（圖3）。

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

該部分還提供開漏輸出級(jí)，可以適應(yīng)驅(qū)動(dòng)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(jìn)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(píng)估板。

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

圖4：這些簡(jiǎn)單發(fā)射器的一個(gè)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(gè)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(dá)1 Mbit/s。

如果空間不是問題

并非每個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)器都有空間限制，并且?guī)讉€(gè)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(jìn)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(dá)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(shí)間《0.1μA。雖然靈活，但這類零件需要嵌入式微型，因?yàn)樗鼈兪峭ㄟ^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(jī)，還是用于監(jiān)控三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)或衛(wèi)星中的旋轉(zhuǎn)控制器，在實(shí)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(xiǎn)的選項(xiàng)，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。