傳感器接口初學(xué)者指南：保護(hù)微控制器

在大多數(shù)情況下，您確實(shí)應(yīng)該考慮在傳感器和計(jì)算平臺(tái)之間設(shè)置某種形式的輸入保護(hù)。

在我的“傳感器接口初學(xué)者指南（第 1 部分） ”專(zhuān)欄中，我概述了您可能需要連接傳感器的三種主要系統(tǒng)類(lèi)型：

直接連接到 MCU（微控制器）：直接連接到引腳（外部）和寄存器（內(nèi)部）

單板計(jì)算機(jī) (SBC)：具有操作系統(tǒng)的更強(qiáng)大的處理器

Arduino 和類(lèi) Arduino 系統(tǒng)：具有一組標(biāo)準(zhǔn)化庫(kù)函數(shù)的 MCU，使使用更容易

我們還討論了將傳感器連接到這些系統(tǒng)的三種方法，如下所示：

直接數(shù)字

直接模擬

基于協(xié)議

系統(tǒng)的另一部分通常很少被談?wù)?，但同樣重要：傳感器和?jì)算系統(tǒng)之間的連接。

在我們最基本的硬件樂(lè)趣嘗試中，我們經(jīng)常直接從傳感器連接到微控制器 I/O 引腳。在理想的無(wú)噪音和無(wú)靜電世界中，這將是一種合理的方法。

在此圖中，我們擁有所有三種基本類(lèi)型的傳感器：基于協(xié)議的加速度計(jì)、直接數(shù)字按鈕開(kāi)關(guān)和模擬電位計(jì)。所有這些都直接連接到 Arduino。（來(lái)源：杜安·本森）

但是我們不是生活在一個(gè)理想的世界中，也不是一個(gè)沒(méi)有噪音的（任何類(lèi)型的）世界。傳感器和系統(tǒng)在不同的電壓下運(yùn)行，我們周?chē)目諝獬錆M了離子和電噪聲，長(zhǎng)電線充當(dāng)天線。

傳感器會(huì)帶來(lái)重要的環(huán)境數(shù)據(jù)，但它們也會(huì)帶來(lái)很多不需要的行李。系統(tǒng)中的一個(gè)小尖峰和一個(gè)未受保護(hù)的微控制器——有時(shí)是一個(gè)非常昂貴的微控制器——可能會(huì)被損壞或毀壞?；蛘?，電噪聲會(huì)使傳感器失明或?qū)е缕涮峁┛此坪侠淼耆e(cuò)誤的數(shù)據(jù)。

基本上，我要說(shuō)的是，除了最普通的情況外，您確實(shí)應(yīng)該考慮在傳感器和計(jì)算平臺(tái)之間提供某種形式的輸入保護(hù)。

如下表所示，常見(jiàn)的保護(hù)方式有衰減、削波、光隔離、濾波：

常見(jiàn)保護(hù)方法的優(yōu)缺點(diǎn)（來(lái)源：Duane Benson）

關(guān)于上表中的“Clipping”項(xiàng)，另請(qǐng)參見(jiàn)“如何閱讀數(shù)據(jù)表：齊納二極管”和“如何閱讀數(shù)據(jù)表：TVS 二極管”。

當(dāng)有源傳感器在與微控制器不同的電壓下工作時(shí)，也可能需要保護(hù)電路。

Digilent 的 Chipkit uc32（如圖所示）使用 3.3-V 32 位 Microchip MCU，但與 Arduino 兼容的板位于 5-V 宇宙中。它在其模擬輸入上組合實(shí)現(xiàn)了兩種不同類(lèi)型的保護(hù)：用于防止過(guò)壓的削波二極管和用于限流的串聯(lián)電阻。（來(lái)源：杜安·本森）

另一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換需求出現(xiàn)在具有與主機(jī) MCU 不同的工作電壓的基于協(xié)議的傳感器上，例如連接到 3-V 或 1.8-V 微控制器的基于協(xié)議的 5-V I2C 傳感器（另請(qǐng)參見(jiàn)“不要讓I2C 上拉電阻在總線上咬你！ ”）。來(lái)自 1.8V MCU 的“高”信號(hào)可能不足以被傳感器視為邏輯“1”。3-V“高”可能會(huì)通過(guò)，但您可能無(wú)法依賴(lài)它，因?yàn)椴⒎撬羞壿嫛?”信號(hào)都與系統(tǒng)電壓匹配，因此您最終可能會(huì)得到一個(gè) 2.2-V 信號(hào)，該信號(hào)被視為“由傳感器的 5-V I2C 決定。

此外，來(lái)自傳感器的邏輯“1”可能為 5 V 或足夠接近 5 V，這可能會(huì)燒毀 3 V（當(dāng)然是 1.8 V）MCU 上的 I/O 端口。與此相反的是 5V MCU 和低壓傳感器的風(fēng)險(xiǎn)。我已經(jīng)用 5V 微控制器燒壞了更多的 3V 加速度計(jì)，這比我愿意承認(rèn)的要多。

輸出電壓高于 MCU 的模擬傳感器也會(huì)導(dǎo)致同樣的問(wèn)題。最重要的是，不匹配的傳感器和 MCU 電壓會(huì)像嘈雜的環(huán)境一樣造成損壞。

使用基于協(xié)議的傳感器，您將需要所謂的線路電平轉(zhuǎn)換器來(lái)改變兩個(gè)電壓之間的信號(hào)電平。這些設(shè)備可以使用一些分立的晶體管來(lái)限制，但它們也可以作為特殊的集成電路使用。它們將有一個(gè)共同的接地點(diǎn)，并將系統(tǒng)分開(kāi)，一側(cè)有一個(gè)系統(tǒng)電壓，另一側(cè)有一個(gè)更高或更低的電壓。

此原理圖顯示了用于 I2C 總線的 3.3V 至 5V 雙向線路電平轉(zhuǎn)換器。未顯示連接兩側(cè)的公共地線。（來(lái)源：杜安·本森）

線路電平轉(zhuǎn)換器有雙向和單向版本。有些人對(duì)單向信號(hào)使用串聯(lián)電阻（更像是限流系統(tǒng)）。如果您對(duì)系統(tǒng)電流有足夠的了解以確保伴隨的電壓降足夠，這可以工作。

對(duì)于工作電壓高于 MCU 的模擬傳感器，您或許可以使用電阻分壓器來(lái)確保不會(huì)改變斜坡特性并將電壓保持在危險(xiǎn)水平以下。您的電阻選擇將取決于模擬輸入的電流消耗規(guī)格。

下一次，我們將重新開(kāi)始工作并開(kāi)始將傳感器連接到微控制器。同時(shí)，如果您有任何與傳感器相關(guān)的具體問(wèn)題或疑慮，請(qǐng)?jiān)谠u(píng)論中告訴我。