Mesure ce qui est mesurable et rend mesurable ce qui ne peut être mesuré. 測(cè)量所有可測(cè)量的，并讓不可測(cè)量的變得可測(cè)量。

Galillée 伽利略

緣起

在法國(guó)讀工程師快兩年了，從今天起正式進(jìn)入了專業(yè)課學(xué)習(xí)的階段。我所選的專業(yè)是：Systèmes embarqués, mobilités et objets communicants（嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)）。一方面為了督促自己學(xué)習(xí)，另一方面為了鍛煉自己的表達(dá)能力，決定開設(shè)這個(gè)專題，轉(zhuǎn)述上課學(xué)到的知識(shí)，重新梳理所得。

輸入-處理-輸出

今天是專業(yè)課的第一節(jié)課，課程的名稱是Communication et Mobilité，始終沒有找到合適的翻譯，但就課程內(nèi)容而言，主要是關(guān)于傳感器的，所以本文起名為“嵌入式系統(tǒng)的眼睛”。什么是嵌入式系統(tǒng)？我不想從維基上扒定義，老師也沒有給出明確的定義。定義是抽象，要理解一個(gè)概念必須從具體到抽象，那么我們來(lái)看看身邊有哪些嵌入式系統(tǒng)。簡(jiǎn)單的如電腦的各種外設(shè)：如鼠標(biāo)鍵盤打印機(jī)；生活中的大小家電：音響，吸塵器，監(jiān)控；復(fù)雜的如機(jī)器人，汽車，飛機(jī)，衛(wèi)星等等。我們賴以生存的手機(jī)也是典型的嵌入式設(shè)備之一。嵌入式出現(xiàn)在我們生活中的方方面面。那么嵌入式系統(tǒng)的核心組成部分是什么？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)無(wú)非就是三個(gè)模塊：Capteur（傳感器）、Application de contr?le（控制單元）、和Actionneur（動(dòng)作器）。從法語(yǔ)或者英語(yǔ)的角度理解這三個(gè)詞的含義更為準(zhǔn)確。Capteur或者Sensor的單詞本身帶有的含義分別是“抓取”和“感知”，所以嵌入式系統(tǒng)的第一個(gè)單元主要的作用就是從外界接受信息，其作用就像我們的各種器官。第二個(gè)部分就像我們的大腦，處理信息，得出結(jié)論，傳遞給第三個(gè)部分去完成。這第三個(gè)部分自然就是應(yīng)對(duì)于提取到的信息而采取的行動(dòng)，所以是Action。

由這三個(gè)核心部分構(gòu)成了很多嵌入式系統(tǒng)的變種。第一個(gè)例子，汽車撞墻的一剎那，汽車內(nèi)部的壓力傳感器感知到巨大的壓力變化，觸發(fā)電流，刺激汽車彈出安全氣囊。這一個(gè)過(guò)程中幾乎省略了控制單元，而簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的邏輯電路。這樣做的好處是快，非常的快，而且過(guò)程中幾乎不需要用到汽車核心計(jì)算單元的各種處理，而可以理解為汽車的“應(yīng)激反應(yīng)”，就好像碰到了熱的物體突然縮手一樣，不需要思考。第二個(gè)例子，動(dòng)物學(xué)家在森林中的斑馬脖子上配戴了一個(gè)項(xiàng)圈，用以監(jiān)視斑馬群落的走向和它們的生活習(xí)慣。這個(gè)項(xiàng)圈的作用首先是采集數(shù)據(jù)然后傳遞數(shù)據(jù)給主機(jī)。由人（或計(jì)算機(jī)程序）處理數(shù)據(jù)，項(xiàng)圈本身不做任何Action（附著于動(dòng)物身體上的設(shè)備越低調(diào)越好，否則很容易被毀壞）。以上兩個(gè)例子分別省略了控制單元和動(dòng)作器，從更大的角度來(lái)看只是把控制單元和控制器簡(jiǎn)化或外掛到別的實(shí)體上，其本質(zhì)還是這三個(gè)模塊。監(jiān)視的目的是為了采取行動(dòng)，什么都不干也是一種行動(dòng)。但這一切的一切都不能離開傳感器。

當(dāng)我們說(shuō)到傳感器，我們?cè)谡f(shuō)什么？

傳感器的本質(zhì)是什么？如果讓我來(lái)說(shuō)就是將某一種物理屬性轉(zhuǎn)化為電壓或電流等電特性的裝置。老師說(shuō)：傳感器的本質(zhì)在于測(cè)量?；砣婚_朗，搞不清楚傳感器的本質(zhì)搞半天都不知道自己在干什么的。說(shuō)到測(cè)量，有什么問(wèn)題是避不開的？單位！所以上課老師簡(jiǎn)要介紹了了各種物理單位。單位是科學(xué)人的語(yǔ)言，有了單位測(cè)量才能有意義，單位的增加也從另一個(gè)方面體現(xiàn)著人類認(rèn)知的發(fā)展，所以直到上個(gè)世紀(jì)70年代還有新的單位加入進(jìn)來(lái)（mol摩爾）。

搞清楚傳感器的本質(zhì)是測(cè)量之后，就要問(wèn)自己一個(gè)終極問(wèn)題：我要測(cè)什么？你可能會(huì)想，這是什么問(wèn)題？（比如）我要測(cè)溫度??！可是再問(wèn)一遍這個(gè)問(wèn)題就細(xì)思恐極：你要測(cè)溫度，那你到底要測(cè)什么？看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題恐怕難倒了不少像我這樣自認(rèn)為了解這個(gè)領(lǐng)域的人。

從1到2看似簡(jiǎn)單，其實(shí)從小數(shù)點(diǎn)后走過(guò)了無(wú)盡長(zhǎng)路。

物理學(xué)家們悄然登場(chǎng)，輕聲咳嗽說(shuō)，我給你們帶來(lái)了我們最新的研究成果——各種效應(yīng)。什么是效應(yīng)？我認(rèn)為效應(yīng)就是某種關(guān)聯(lián)，當(dāng)A條件滿足的時(shí)候，事件B會(huì)發(fā)生，這就是效應(yīng)。蝴蝶效應(yīng)、馬太效應(yīng)什么的可能是玄學(xué)，但是物理學(xué)中講到的效應(yīng)是因果的傳導(dǎo)。對(duì)于傳感器而言，最喜歡的關(guān)聯(lián)就是線性關(guān)聯(lián)。因?yàn)榉蔷€性關(guān)聯(lián)牽扯到的參數(shù)太多，結(jié)果預(yù)測(cè)難度太大。所以各種傳感器都有自己的測(cè)量區(qū)間，為的就是保持其工作在線性可測(cè)的范圍內(nèi)。

比如測(cè)量溫度。從溫度單位到電學(xué)單位（電壓，電流）該怎么走？物理學(xué)家為我們提供了Seebeck效應(yīng)，這也就是熱電偶的工作原理。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是金屬由于溫度差會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生電流。再某一區(qū)間內(nèi)，電子運(yùn)動(dòng)的變化是線性于溫度變化的，所以通過(guò)比例的關(guān)系將溫度轉(zhuǎn)化為電流的變化。

從簡(jiǎn)單到復(fù)雜

之前提到的嵌入式系統(tǒng)三大組成部分簡(jiǎn)化了很多內(nèi)容。這里稍微展開來(lái)說(shuō)一下第一個(gè)部分和第三個(gè)部分在實(shí)際的電子系統(tǒng)中是怎樣的流程。第一個(gè)鏈條是輸入鏈：傳感器 - 放大器 - 濾波器 - 采樣器 - 模數(shù)轉(zhuǎn)換 - （處理單元）。傳感器獲取信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，微弱的電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，濾去一部分噪音，形成可供處理的模擬信號(hào)，模擬信號(hào)再經(jīng)采樣單元和模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)交由處理單元處理。第二個(gè)鏈條輸出鏈幾乎是同樣的逆過(guò)程：（處理單元）- 數(shù)模轉(zhuǎn)換 - 濾波器 - 放大器 - 動(dòng)作器。在這里留一個(gè)思考題，輸出鏈中的濾波是做什么用的呢？

在復(fù)雜多變的世界中，總是要做出選擇做出妥協(xié)，人生艱難，選擇傳感器也是一樣。需要考慮很多條件：可靠性、準(zhǔn)確性、精確度、分辨率、Finesse（測(cè)量時(shí)對(duì)被測(cè)實(shí)體性質(zhì)的影響）、敏感度等等。選擇傳感器要在這些條件中做出妥協(xié)，最終屈服于價(jià)格，做出最后的選擇。

后記

第一課就上到了這里，老師講的興起，拖堂五分鐘還有一個(gè)最后的案例沒有講。3個(gè)小時(shí)150頁(yè)P(yáng)PT的精華交付給你（和我自己），其中穿插著我自己的理解，希望能給看這篇文章的人帶來(lái)幫助。在這篇筆記里忽略了的核心內(nèi)容是各種測(cè)量中用到的物理效應(yīng)，一一解釋實(shí)在艱深復(fù)雜，我也沒有完全弄懂，現(xiàn)列舉如下，以備后用：

測(cè)量溫度：Effet Seebeck, Effet Peltier, Effet Thomson, 紅外測(cè)溫。

測(cè)量光輻射：Effet de photoconduction光電導(dǎo)效應(yīng), Effet de photo-électrique光電效應(yīng)

Effet Pyroélectrique熱釋電效應(yīng)

Effet Induction électro-magnétique電磁感應(yīng)

Effet Hall霍爾效應(yīng)

測(cè)量壓力（形變）：Effet piezoélectrique壓電效應(yīng)