許多行業正在接受 "4.0 "范式，它將各種數字技術的采用作為第四次工業革命。伴隨著這些新概念的出現，是支撐工業3.0的機器人技術的演變：看似成熟的技術在未來幾十年內為我們服務。這種進步的一部分是由采用特定應用集成電路（ASIC）的下一代位置傳感器推動的。在這里，ASIC設計和供應公司Swindon Silicon Systems的模擬設計經理Mike Coulson博士解釋了用于位置傳感器的定制IC是如何幫助工業自動化實現速度、精度和成本節約。

現代工業流程是由高度自動化的機器支撐的，它們必須以準確和快速的方式移動。精確性是一個推動因素：它允許完成新的制造壯舉，并產生了性能優于和超過其前輩的產品。速度等同于更高的產量，并降低零件成本。這類機械可能由電磁、氣動或液壓手段驅動，但無一例外地都在一個控制其運動的電子系統的控制之下。這些系統的一個關鍵部分是檢測每個運動部件狀態的位置傳感器。

位置傳感器是一個涵蓋一系列技術的廣泛術語。在這篇文章中，我們考慮測量旋轉和線性位移的傳感器。例如，旋轉編碼器可以測量機械臂的角度，而線性編碼器可以報告打印頭的位置。在每一種情況下，"讀頭 "在一個精確制造的刻度上移動，通常有復雜的 "冗余 "圖案。

位置傳感器電子裝置

編碼器包括一個傳感元件，將物理刺激轉換為微弱的電子信號。在電感式編碼器中，這是一個檢測不斷變化的磁性環境的線圈--例如開槽的黑色金屬刻度。在光學編碼器中，傳感元件可能是一個光電晶體管。每種情況都有激勵電路來產生刺激，以及信號調節電路來選擇和放大弱電反應。然后，大多數編碼器使用模擬數字轉換器（ADC）將信號數字化，數字結果傳遞給帶有隨機存取存儲器（RAM）和閃存的中央處理單元（CPU）。

這個CPU在對輸出進行序列化之前，從潛在的復雜刻度編碼中計算出位置。它還可以識別事件，如參考標記被通過，或超速情況，對主機系統產生即時中斷。還有接口電子設備，提供從CPU到主機的雙向數據路徑，最后還有提供穩定電源電壓的組件。

提高集成度

當一個編碼器最初被制作成原型時，這些獨立的元件就像許多現成的IC，每個都有自己的分立電容和電阻支持。當生產量很低，而且設計并不試圖達到一流的性能時，這可能是一個最佳的解決方案。在其他大多數情況下，開發ASIC的成本是合理的，開發者會將盡可能多的電路集成到一個單一的封裝中。這樣做的好處是巨大的。

首先，PCB的尺寸減少了，導致編碼器更小、更輕，提供更好的動態性能，并能夠為新的應用服務。組裝變得更簡單，電子器件得到了更大的保護，不受環境因素的影響，如化學腐蝕和振動。一些客戶還看重它對其電路IP的保護，因為單片集成電路遠比在眾目睽睽之下把標準部件連在一起的集合更難進行反向工程。

其次，ASIC帶來了降低部件成本的機會。用現成的部件構建的系統經常是過度工程化的，因為標準部件的設計和銷售都考慮到了最大的通用性。斯溫頓將評估其客戶的系統，找出每一個從設計中榨取成本的機會：如果我們可以用一小部分的價格合成硬編碼邏輯，那么這個CPU真的有必要嗎？那個雙通道ADC的容量是否已經用完？對于大批量的產品來說，ASIC的開發成本可以通過減少材料清單和簡化裝配來抵消。

第三，ASIC設計允許在重要的地方進行性能投資。在位置傳感器中，這可能是一個非線性規格，相當于不同刻度點的精度。它同樣可能是一個積極的低頻噪聲目標，這不容易被平均化。這就是與經驗豐富的ASIC合作伙伴合作的好處：整個信號路徑可以被優化和模擬到最細微的地方，并且可以部署成熟的IP和專業知識。例如，"斬波 "可以減輕麻煩的閃爍噪聲，或者溫度測量可以用來補償電壓基準漂移。最好的ASIC合作伙伴從一開始就充當顧問，了解系統，認識到定制IC設計的改進之處，并在客戶編寫黑盒規范時為其提供指導。

ASIC的開發過程

一家公司應該考慮，一旦有了原型，一個項目是否準備好從定制的ASIC中獲益。在這一點上，像斯溫頓這樣的供應商將評估定制解決方案是否適合他們，并確定最佳的系統分區。通常，但并不總是必要的，供應商會進行為期四到八周的可行性研究，為這些結論提供信息，并得出一個詳細的建議和成本計算。然后，供應商將構建芯片，將設計分解為模擬和數字塊。在這個階段，許多客戶從收到詳細的行為模型中受益，例如VHDL，以便與他們系統的其他部分進行共同模擬。

除此以外，工作牢牢掌握在供應商手中，除了定期審查以證明設計及其驗證的日益成熟外，客戶不需要更多資源。從規格到硅的整個過程的時間尺度將取決于其復雜性。但在任何情況下，與一個能夠擁有項目所有方面的ASIC供應商合作是至關重要的，從最初的咨詢到持續供應合格的生產部件。

位置傳感器是現代工業的基礎，并在其性能和技術方面繼續發展。傳感器的電子器件是這一演變的關鍵部分，對速度、精度和整體外形尺寸有直接影響。雖然現成的組件適合某些應用，但希望真正使其產品與眾不同的制造商必須采取下一步措施，探索定制IC提供的好處。