使用 ASIC 实现高性能、高性价比的位置传感器
许多行业正在接受 "4.0 "范式，它将各种数字技术的采用作为第四次工业革命。伴随着这些新概念的出现，是支撑工业3.0的机器人技术的演变：看似成熟的技术在未来几十年内为我们服务。这种进步的一部分是由采用特定应用集成电路（ASIC）的下一代位置传感器推动的。在这里，ASIC设计和供应公司Swindon Silicon Systems的模拟设计经理Mike Coulson博士解释了用于位置传感器的定制IC是如何帮助工业自动化实现速度、精度和成本节约。
现代工业流程是由高度自动化的机器支撑的，它们必须以准确和快速的方式移动。精确性是一个推动因素：它允许完成新的制造壮举，并产生了性能优于和超过其前辈的产品。速度等同于更高的产量，并降低零件成本。这类机械可能由电磁、气动或液压手段驱动，但无一例外地都在一个控制其运动的电子系统的控制之下。这些系统的一个关键部分是检测每个运动部件状态的位置传感器。
位置传感器是一个涵盖一系列技术的广泛术语。在这篇文章中，我们考虑测量旋转和线性位移的传感器。例如，旋转编码器可以测量机械臂的角度，而线性编码器可以报告打印头的位置。在每一种情况下，"读头 "在一个精确制造的刻度上移动，通常有复杂的 "冗余 "图案。
位置传感器电子装置
编码器包括一个传感元件，将物理刺激转换为微弱的电子信号。在电感式编码器中，这是一个检测不断变化的磁性环境的线圈--例如开槽的黑色金属刻度。在光学编码器中，传感元件可能是一个光电晶体管。每种情况都有激励电路来产生刺激，以及信号调节电路来选择和放大弱电反应。然后，大多数编码器使用模拟数字转换器（ADC）将信号数字化，数字结果传递给带有随机存取存储器（RAM）和闪存的中央处理单元（CPU）。
这个CPU在对输出进行序列化之前，从潜在的复杂刻度编码中计算出位置。它还可以识别事件，如参考标记被通过，或超速情况，对主机系统产生即时中断。还有接口电子设备，提供从CPU到主机的双向数据路径，最后还有提供稳定电源电压的组件。
提高集成度
当一个编码器最初被制作成原型时，这些独立的元件就像许多现成的IC，每个都有自己的分立电容和电阻支持。当生产量很低，而且设计并不试图达到一流的性能时，这可能是一个最佳的解决方案。在其他大多数情况下，开发ASIC的成本是合理的，开发者会将尽可能多的电路集成到一个单一的封装中。这样做的好处是巨大的。
首先，PCB的尺寸减少了，导致编码器更小、更轻，提供更好的动态性能，并能够为新的应用服务。组装变得更简单，电子器件得到了更大的保护，不受环境因素的影响，如化学腐蚀和振动。一些客户还看重它对其电路IP的保护，因为单片集成电路远比在众目睽睽之下把标准部件连在一起的集合更难进行反向工程。
其次，ASIC带来了降低部件成本的机会。用现成的部件构建的系统经常是过度工程化的，因为标准部件的设计和销售都考虑到了最大的通用性。斯温顿将评估其客户的系统，找出每一个从设计中榨取成本的机会：如果我们可以用一小部分的价格合成硬编码逻辑，那么这个CPU真的有必要吗？那个双通道ADC的容量是否已经用完？对于大批量的产品来说，ASIC的开发成本可以通过减少材料清单和简化装配来抵消。
第三，ASIC设计允许在重要的地方进行性能投资。在位置传感器中，这可能是一个非线性规格，相当于不同刻度点的精度。它同样可能是一个积极的低频噪声目标，这不容易被平均化。这就是与经验丰富的ASIC合作伙伴合作的好处：整个信号路径可以被优化和模拟到最细微的地方，并且可以部署成熟的IP和专业知识。例如，"斩波 "可以减轻麻烦的闪烁噪声，或者温度测量可以用来补偿电压基准漂移。最好的ASIC合作伙伴从一开始就充当顾问，了解系统，认识到定制IC设计的改进之处，并在客户编写黑盒规范时为其提供指导。
ASIC的开发过程
一家公司应该考虑，一旦有了原型，一个项目是否准备好从定制的ASIC中获益。在这一点上，像斯温顿这样的供应商将评估定制解决方案是否适合他们，并确定最佳的系统分区。通常，但并不总是必要的，供应商会进行为期四到八周的可行性研究，为这些结论提供信息，并得出一个详细的建议和成本计算。然后，供应商将构建芯片，将设计分解为模拟和数字块。在这个阶段，许多客户从收到详细的行为模型中受益，例如VHDL，以便与他们系统的其他部分进行共同模拟。
除此以外，工作牢牢掌握在供应商手中，除了定期审查以证明设计及其验证的日益成熟外，客户不需要更多资源。从规格到硅的整个过程的时间尺度将取决于其复杂性。但在任何情况下，与一个能够拥有项目所有方面的ASIC供应商合作是至关重要的，从最初的咨询到持续供应合格的生产部件。
位置传感器是现代工业的基础，并在其性能和技术方面继续发展。传感器的电子器件是这一演变的关键部分，对速度、精度和整体外形尺寸有直接影响。虽然现成的组件适合某些应用，但希望真正使其产品与众不同的制造商必须采取下一步措施，探索定制IC提供的好处。
