单片机偏移量单圈和多圈,增量和绝对值,编码器常用知识,知道80%就可以了!|产品选型|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

单圈和多圈,增量和绝对值,编码器常用知识,知道80%就可以了!

编码器（encoder）是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺．按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种．接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是"1”还是“0”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是"1”还是"0”，通过"1”和“0”的二进制编码来将采集来的物理信号转换为机器码可读取的电信号用以通讯、传输和储存。

编码器工作原理：

利用电磁感应原理将两个平面型绕组之间的相对位移转换成电信号的测量元件，用于长度测量工具。感应同步器（俗称编码器、光栅尺）分为直线式和旋转式两类。前者由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量；后者由定子和转子组成，用于角位移测量。

1957年美国的R.W.特利普等在美国取得感应同步器的专利，原名是位置测量变压器，感应同步器是它的商品名称，初期用于雷达天线的定位和自动跟踪、导弹的导向等。在机械制造中，感应同步器常用于数字控制机床、加工中心等的定位反馈系统中和坐标测量机、镗床等的测量数字显示系统中。它对环境条件要求较低，能在有少量粉尘、油雾的环境下正常工作。定尺上的连续绕组的周期为2毫米。滑尺上有两个绕组，其周期与定尺上的相同，但相互错开1/4周期（电相位差90°）。

感应同步器的工作方式有鉴相型和鉴幅型的两种。前者是把两个相位差90°、频率和幅值相同的交流电压U1和U2分别输入滑尺上的两个绕组，按照电磁感应原理，定尺上的绕组会产生感应电势U。如滑尺相对定尺移动，则U的相位相应变化，经放大后与U1和U2比相、细分、计数，即可得出滑尺的位移量。在鉴幅型中，输入滑尺绕组的是频率、相位相同而幅值不同的交流电压，根据输入和输出电压的幅值变化，也可得出滑尺的位移量。由感应同步器和放大、整形、比相、细分、计数、显示等电子部分组成的系统称为感应同步器测量系统。它的测长精确度可达3微米/1000毫米，测角精度可达1″/360°。

欧姆龙旋转编码器

随着工业自动化的高速发展，编码器在工控领域的应用更加广泛。

一、问：增量旋转编码器选型有哪些留意事项？

应留意三方面的参数：

1．械安装尺寸，包括定位止口，轴径，安装孔位；电缆出线方式；安装空间体积；工作环境防护等级是否满足要求。

2．分辨率，即编码器工作时每圈输出的脉冲数，是否满足设计使用精度要求。

3．电气接口，编码器输出方式常见有推拉输出（F型HTL格式），电压输出（E），集电极开路（C，常见C为NPN型管输出，C2为PNP型管输出），长线驱动器输出。其输出方式应和其控制系统的接口电路相匹配。

二、问：请教如何使用增量编码器？

1．增量型旋转编码器有分辨率的差异，使用每圈产生的脉冲数来计量，数目从6到5400或更高，脉冲数越多，分辨率越高；这是选型的重要依据之一。

2．增量型编码器通常有三路信号输出（差分有六路信号）：A,B和Z，一般采用TTL电平，A脉冲在前，B脉冲在后，A,B脉冲相差90度，每圈发出一个Z脉冲，可作为参考机械零位。一般利用A超前B或B超前A进行判向，我公司增量型编码器定义为轴端看编码器顺时针旋转为正转，A超前B为90°，反之逆时针旋转为反转B超前A为90°。也有不相同的，要看产品说明。

3．使用plc采集数据，可选用高速计数模块；使用工控机采集数据，可选用高速计数板卡；使用单片机采集数据，建议选用带光电耦合器的输进端口。

4．建议B脉冲做顺向（前向）脉冲，A脉冲做逆向（后向）脉冲，Z原点零位脉冲。

5．在电子装置中设立计数栈。

三、关于户外使用或恶劣环境下使用

设备在野外使用，现场环境脏，而且怕撞坏编码器。

有铝合金（特殊要求可做不锈钢材质）密封保护外壳，双重轴承重载型编码器，放在户外不怕脏，钢厂、重型设备里都可以用。

不过假如编码器安装部分有空间，建议在编码器外部再加装一防护壳，以加强对其进行保护，必竟编码器属精密元件，一台编码器和一个防护壳的价值比较还是有一定差距的。

四、从接近开关、光电开关到旋转编码器：

产业控制中的定位，接近开关、光电开关的应用已经相当成熟了，而且很好用。可是，随着工控的不断发展，又有了新的要求，这样，选用旋转编码器的应用优点就突出了：

信息化：除了定位，控制室还可知道其具体位置；

柔性化：定位可以在控制室柔性调整；

现场安装的方便和安全、长寿：拳头大小的一个旋转编码器，可以丈量从几个μ到几十、几百米的间隔，n个工位，只要解决一个旋转编码器的安全安装题目，可以避免诸多接近开关、光电开关在现场机械安装麻烦，轻易被撞坏和遭高温、水气困扰等题目。由于是光电码盘，无机械损耗，只要安装位置正确，其使用寿命往往很长。

多功能化：除了定位，还可以远传当前位置，换算运动速度，对于变频器，步进电机等的应用尤为重要。

经济化：对于多个控制工位，只需一个旋转编码器的本钱，以及更主要的安装、维护、损耗本钱降低，使用寿命增长，其经济化逐渐突显出来。

如上所述优点，旋转编码器已经越来越广泛地被应用于各种工控场合。

五、关于电源供给及编码器和PLC连接：

一般编码器的工作电源有三种：5Vdc、5-13Vdc或11-26Vdc。假如你买的编码器用的是11-26Vdc的，就可以用PLC的24V电源，需留意的是：

1．编码器的耗电流，在PLC的电源功率范围内。

2．编码器如是并行输出，连接PLC的I/O点，需了解编码器的信号电平是推拉式（或称推挽式）输出还是集电极开路输出，如是集电极开路输出的，有N型和P型两种，需与PLC的I/O极性相同。如是推拉式输出则连接没有什么题目。

3．编码器如是驱动器输出，一般信号电平是5V的，连接的时候要小心，不要让24V的电源电平串进5V的信号接线中往而损坏编码器的信号端。（我公司也可以做宽电压驱动器输出（5-30Vdc），有此要求定货时要注明）

六、在很多的情况之下是编码器并没有坏，而只是干扰的原因，造成波型不好，导致计数不准。请教如何进行判定？谢谢！

编码器属精密元件，这主要由于编码器四周干扰比较严重，比如：是否有大型电动机、电焊机频繁起动造成干扰，是否和动力线同一管道传输等。

选择什么样的输出对抗干扰也很重要，一般输出带反向信号的抗干扰要好一些，即A+~A-,B+~B-,Z+~Z-，其特征是加上电源8根线，而不是5根线(共零)。带反向信号的在电缆中的传输是对称的，受干扰小，在接受设备中也可以再增加判定（例如接受设备的信号利用A、B信号90°相位差，读到电平10、11、01、00四种状态时，计为一有效脉冲，此方案可有效进步系统抗干扰性能（计数正确））。

就是编码器也有好坏，其码盘\电子芯片\内部电路\信号输出的差别很大，要不然怎么一个1000线的增量型编码器会从300多元到3000多元差别那么大呢?

①排除(搬离、封闭、隔离)干扰源，

②判定是否为机械间隙累计误差，

③判定是否为控制系统和编码器的电路接口不匹配（编码器选型错误）；①②③方法偿试后故障现象排除，则可初步判定，若未排除须进一步分析。

判定是否为编码器自身故障的简单方法是排除法。现在我公司编码器已大规模生产，技术生产已成熟运用，产品故障率控制在千分之几。排除法的具体方法是：用一台相同型号的编码器替换上往，假如故障现象相同，可基本排除是编码器故障题目，由于两台编码器同时有故障的小概率事件发生可能很小，可以看作为0。假如换一台相同型号编码器上往，故障现象立即排除，则可基本判定是编码器故障。

七、作甚长线驱动？普通型编码器能否远间隔传送？

答：长线驱动也称差分长线驱动，5V，TTL的正负波形对称形式，由于其正负电流方向相反，对外电磁场抵消，故抗干扰能力较强。普通型编码器一般传输间隔是100米，假如是24VHTL型且有对称负信号的，传输间隔300-400米。

八、问：能否简单先容旋转编码器检测直线位移的方法？

1．使用“弹性连轴器”将旋转编码器与驱动直线位移的动力装置的主轴直接联轴。

2．使用小型齿轮（直齿，伞齿或蜗轮蜗杆）箱与动力装置联轴。

3．使用在直齿条上转动的齿轮来传递直线位移信息。

4．在传动链条的链轮上获得直线位移信息。

5．在同步带轮的同步带上获得直线位移信息。

6．使用安装有磁性滚轮的旋转编码器在直线位移的平整钢铁材料表面获得位移信息（避免滑差）。

7．使用类似“钢皮尺”的“可回缩钢丝总成”连接旋转编码器来探测直线位移信息（数据处理中须克服叠层卷绕误差）。

8．类似7，使用带小型力矩电机的“可回缩钢丝总成”连接旋转编码器来探测直线位移信息（目前德国有类似产品，结构复杂，几乎无叠层卷绕误差）。

九、增量光栅Z信号可否作零点？圆光栅编码器如何选用？

无论直线光栅还是轴编码器其Z信号的均可达到同A\B信号相同的精确度，只不过轴编码器是一圈一个，而直线光栅是每隔一定间隔一个，用这个信号可达到很高的重复精度。可先用普通的接近开关初定位，然后找最为接近的Z信号(每次同方向找)，装的时候不要看忘了将其相位调的和光栅相位一致，否则不准。

根据你的细分精度要求和分辩率要求选用。精度高自然要选用每周线纹高的，精度不高，就没必要选用高线纹数的圆光栅编码器了。

十、增量型编码器和尽对型编码器有何区别？做一个伺服系统时怎么选择呢？

常用的为增量型编码器，假如对位置、零位有严格要求用尽对型编码器。伺服系统要具体分析，看应用场合。

测速度用常用增量型编码器，可无穷累加丈量；测位置用尽对型编码器，位置唯一性（单圈或多圈），终极看应用场合，看要实现的目的和要求。

十一、尽对型旋转编码器选型留意事项，旋转编码器和接近开关、光电开关上风比较：

尽对编码器单圈从经济型8位到高精度17位，价格可以从几百元到1万多不等；

尽对编码器多圈大部分用25位，输出有SSI，总线ProfibusDP,CAN L2,Interbus,DeviceNet,价格也可以从3千多到1万多不等。

旋转光电编码器丈量角度和长度，已是很成熟的技术了，现今再用上高精度大量程的尽对型编码器，大大进步了丈量精度和可靠性，而且经济实用。就目前来看，其仍然是丈量长度的最多选择。

十二、从增量式编码器到尽对式编码器

旋转增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。

解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。在参考点以前，是不能保证位置的正确性的。为此，在工控中就有每次操纵先找参考点，开机找零等方法。

比如，打印机扫描仪的定位就是用的增量式编码器原理，每次开机，我们都能听到噼哩啪啦的一阵响，它在找参考零点，然后才工作。

这样的方法对有些工控项目比较麻烦，甚至不答应开机找零（开机后就要知道正确位置），于是就有了尽对编码器的出现。

尽对编码器光码盘上有很多道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线。。。。。。编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为n位尽对编码器。这样的编码器是由码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。

尽对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就往读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大进步了。

由于尽对编码器在位置定位方面明显地优于增量式编码器，已经越来越多地应用于工控定位中。

测速度需要可以无穷累加丈量，目前增量型编码器在测速应用方面仍处于无可取代的主流位置。

十三、能不能告诉我选用尽对型编码器应留意哪些事项？

机械部分:

1.测长度还是测角度，测长度如何通过机械方式转换(在上面有一些先容，如不清楚可来电讨论)。测角度是360度内(单圈)，还是可能过360度(多圈)。生产过程是一个方向旋转循环工作，还是往返方向循环工作。

2.轴连接安装形式，有轴型通过软性联轴器连接，还是轴套型连接。

3.使用环境：粉尘,水气,震动,撞击?

电气部分：

1.连接的输出接收部分是什么?

2.信号形式?

3.分辨率要求?

4.控制要求?

十四、从单圈尽对式编码器到多圈尽对式编码器

旋转单圈尽对式编码器，以转动中丈量光码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360度时，编码又回到原点，这样就不符合尽对编码唯一的原则，这样的编码器只能用于旋转范围360度以内的丈量，称为单圈尽对式编码器。

假如要丈量旋转超过360度范围，就要用到多圈尽对式编码器。

编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘（或多组齿轮，多组码盘），在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的丈量范围，这样的尽对编码器就称为多圈式尽对编码器，它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。

多圈编码器另一个优点是由于丈量范围大，实际使用往往富裕较多，这样在安装时不必要费劲找零点，将某一中间位置作为起始点就可以了，而大大简化了安装调试难度。

多圈式尽对编码器在长度定位方面的上风明显，已经越来越多地应用于工控定位中。

十五、尽对型编码器的串行和并行输出的具体一点的信息，谢谢！

并行输出：

尽对型编码器输出的是多位数码（格雷码或纯二进制码），并行输出就是在接口上有多点高低电平输出，以代表数码的1或0，对于位数不高的尽对编码器，一般就直接以此形式输出数码，可直接进进PLC或上位机的I/O接口，输出即时，连接简单。但是并行输出有如下题目：

1.必须是格雷码，由于如是纯二进制码，在数据刷新时可能有多位变化，读数会在短时间里造成错码。

2.所有接口必须确保连接好，由于如有个别连接不良点，该点电位始终是0，造成错码而无法判定。

3.传输间隔不能远，一般在一两米，对于复杂环境，最好有隔离。

4.对于位数较多，要很多芯电缆，并要确保连接优良，由此带来工程难度，同样，对于编码器，要同时有很多节点输出，增加编码器的故障损坏率。

并行：时间上，数据同时发出；空间上，每个位数的数据各占用一根线缆。

增量型编码器输出的通常是并行输出。

串行输出：

串行输出就是通过约定，在时间上有先后的数据输出，这种约定称为通讯规约，其连接的物理形式有rs232、RS422(TTL)、RS485等。

串行输出连接线少，传输间隔远，对于编码器的保护和可靠性就大大进步了，一般高位数的尽对编码器都是用串行输出的。

由于尽对型编码器的部分着名厂家在德国，所以串行输出大部分是与德国的西门子配套的，如SSI同步串行输出，总线型是PROFIBUS-DP的输出等。

串行输出编码器连接德国西门子的设备是比较轻易的，但是连接非德国系的设备，接口就是题目了，我公司提供各种接口输出的仪表，可以解决这样的题目。

串行：时间上，数据按照约定，有先后；空间上，所有位数的数据都在一组线缆上（先后）发出。

十六、串行编码器应该都是尽对式的?

串行是指按时间约定，串行输出数字编码信号，基本是尽对的，但也有一些增量编码器，通过内置电池记忆原点，其也可以通过串行输出位置值，如电池线不联，还是增量编码器，此也称为伪尽对值编码器，在一些日本伺服系统中较多见。其本质实在还是增量编码器。

十七、问：为什么叫“尽对型编码器”？

“尽对型编码器”相对于“增量型编码器”而言。

“尽对型编码器”使用某种方式表示并记忆物体的尽对位置，角度和圈数。即一旦位置，角度和圈数固定，什么时候编码器的示值都唯一固定，包括停电后投电。“增量型编码器”做不到这一点。一般“增量型编码器”输出两个A、B脉冲信号，和一个Z(L)零位信号，A、B脉冲互差90度相位角。通过脉冲计数可以知道位置，角度和圈数增量，通过A,B脉冲信号超前或滞后可以知道方向，停电后，必须从约定的基准重新开始计数。“增量型编码器”表示位置，角度和圈数需要做后处理，重新投电要做“复零”操纵，所以，“增量型编码器”比“尽对型编码器”在价格上便宜很多。

十八、问：光电编码器、光学电子尺和静磁栅尽对编码器的优缺点？

光电编码器：

1．优点：体积小，精密，本身分辨度可以很高(目前我公司通过细分技术在直径φ66的编码器上可达到54000cpr)，无接触无磨损；同一品种既可检测角度位移，又可在机械转换装置帮助下检测直线位移；多圈光电尽对编码器可以检测相当长量程的直线位移(如25位多圈)。寿命长，安装随意，接口形式丰富，价格公道。成熟技术，多年前已在国内外得到广泛应用。

2．缺点：精密但对户外及恶劣环境下使用提出较高的保护要求；量测直线位移需依靠机械装置转换，需消除机械间隙带来的误差；检测轨道运行物体难以克服滑差。

光学电子尺：

1．优点：精密，本身分辨度较高（可达到0.005mm）；体积适中，直接丈量直线位移；无接触无磨损，丈量间隙宽泛；价格适中，接口形式丰富，已在国内外金属切削机械行业得到较多应用（如线切割、电火花等）。

2．缺点：丈量直线和角度要使用不同品种；量程受限制（量程超过4m，生产制造困难价格昂贵），不适于在大量程恶劣环境处实施位移检测。

静磁栅尽对编码器：

1．优点：体积适中，直接丈量直线位移，尽对数字编码，理论量程没有限制；无接触无磨损，抗恶劣环境，可水下1000米使用；接口形式丰富，量测方式多样；价格尚能接受。

2．缺点：分辨度1mm不高；丈量直线和角度要使用不同品种；不适于在精小处实施位移检测（大于260毫米）。

十九、例题：一个圆盘，分50个点，要实现定位控制，转速很慢，是要用到尽对型编码器吗？怎么找原点呢？50个位置定位是360度均匀等分吗？

尽对编码器的编码都是2的幂次方，没有360度均匀50等分的，要近似，看精度要求有多高，选多高线数的编码器，假如精度要求不是太高的话，用8位256线的就可以了。编码器的每个位置都有唯一编码，编码为零的就可以作为零点，也可以任意位置定义为零，其他位置与其比较计算。

假如可以用参考点的话，也可以用增量式的，因速度慢，应该选3000线或以上的，每圈一个零位。

二十、简单先容：RS-232、RS-422与RS-485标准及应用？

RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准，最初都是由电子产业协会（EIA）制订并发布的。

目前RS-232是PC机与通讯产业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯间隔的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。

RS-422、RS-485与RS-232不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B。

通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2～+6V，是一个逻辑状态，负电平在-2～6V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C，在RS-485中还有一“使能”端，而在RS-422中这是可用可不用的。“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。

由于RS-485是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485很多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通讯。

RS-485与RS-422的不同还在于其共模输出电压是不同的，RS-485是-7V至+12V之间，而RS-422在-7V至+7V之间，RS-485接收器最小输进阻抗为12kRS-422是4k；由于RS-485满足所有RS-422的规范，所以RS-485的驱动器可以用在RS-422网络中应用。

5个方面详解：AI产品运营必知的软硬件技术

比算法更难得是算法的思想，比编程工具更难的是编程的思维，比做产品更难的是产品的梦想。本文主要从5个方面，详细阐述AI产品运营必知的软硬件技术。

一、AI产品运营对基础关系的安排

1. 智能软硬件与软件和硬件

在AI产品里没有纯粹单独的软件和硬件，尤其是产品经理更应该系统来看，把软件和硬件看成是AI赋能的智能软硬件。

例如：单片机一般意义上被看做硬件，但是我们以一种单片机Arduino来看，Arduino板子上的微控制器可以通过Arduino的编程语言来编写程序，编译成二进制文件，烧录进微控制器，而程序本身又是软件部分。其他AI产品部件也类似像STM32，瑞芯微3288等等。

单片机只是举例，现在这么大的数据量单片机是处理不了的，AI也不只是跑在单片机上，X86，服务端也有。

AI里软件相当于人的大脑，硬件相当于人的身体！所以离开软件硬件没有灵魂，离开硬件软件没有肉身！当下AI硬件主要被用来采集数据和作为算力！

2. 算法和数据

有人说算法重要，因为它体现了技术水平的高低，驾驭数学知识的能力；有人说数据重要没有数据算法如何实现效果，实际上LineLian和工程院院士杨善林的学生讨论后发现，算法和数据是鱼和水的关系。AI时代里算法跟传统算法的区别在于AI的算法是对人脑的模拟，是一种智能。

AI是在大量的样本数据基础上，通过神经网络算法训练数据，建立了输入数据和输出数据之间的映射关系，其最直接的应用是在分类识别方面。例如：训练样本的输入是语音数据，训练后的神经网络实现的功能就是语音识别，如果训练样本输入是人脸图像数据，训练后实现的功能就是人脸识别。

AI算法使得解决问题的步骤智能，数据使得算法得到训练从而实现算法所构建的商业模式！

3. 服务端和应用端

服务端和应用端是相对的。

开发应程序调操作系统的API，操作系统的API有（创建线程、读写文件【读、写、偏移到指定地址】、网络通信、图形渲染），那么操作系统就是应用程序的服务端。

而写一个常规的小程序或者APP，前端用户界面上需要的数据就是分别通过WEB程序调用浏览器功能接口然后OS向后台服务端发请求传数据。

另外web程序员，和底层嵌入式程序员理解的服务端和应用端还有差别，这里产品经理明了这种关系即可。服务端即底层就是功能的实现者，应用端上层就是功能的使用者，这一关系利于产品开发过程中需求时间安排规划。

AI产品经理明了基础关系，能更好的协调资源，补充Team短板，提升产品生命期效率！

二、站在硬件肩旁上赋能硬件

智能软硬件是指通过将硬件和软件相结合，对设备进行智能化创造或者改造。而智能软硬件移动应用端则是软件，通过应用连接智能硬件，操作简单、开发简便，各式应用层出不穷，也是企业获取用户的重要入口。例如：新零售的店铺，智能贩卖机等！

创造和改造对象可能是电子设备，例如：手表、电视和其他电器；也可能是以前没有电子化的设备，例如：门锁、茶杯、汽车甚至房子。

智能软硬件已经从可穿戴设备延伸到智能电视、智能家居、智能汽车、医疗健康、智能玩具、机器人等领域。比较典型的智能软硬件包括Google Glass、三星Gear、FitBit、麦开水杯、咕咚手环、Tesla、无屏电视等。

1. 智能软硬件的特征

信息的获取和交互智能软硬结合

2. 智能硬件的组成

（1）传感器

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

例如：检测距离的声波传感器，寻找轨迹的红外传感器，通信的蓝牙、NB-IoT传感器等等！

（2）控制器

控制器是指按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值，来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。

由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。例如：一般功能的叫MCU单片机，复合功能的叫操作系统OS！

首先，控制器在智能硬件中一般叫做芯片，AI与CPU比较在架构和功能特点上有着非常大的区别。

传统的CPU运行的所有的软件是由程序员编写，完成的固化的功能操作，其计算过程主要体现在执行指令这个环节。但与传统的计算模式不同，人工智能要模仿的是人脑的神经网络，从最基本的单元上模拟了人类大脑的运行机制。它不需要人为的提取所需解决问题的特征，或者总结规律来进行编程。

AI一般包含机器学习和深度学习，但不管是机器学习还是深度学习都需要构建算法和模式，以实现对数据样本的反复运算和训练，降低对人工理解功能原理的要求。

因此，AI芯片需要具备高性能的并行计算能力，同时要能支持当前的各种人工神经网络算法。传统CPU由于计算能力弱，支撑深度学习的海量数据并行运算，且串行的内部结构设计架构为的是以软件编程的方式实现设定的功能，并不适合应用于人工神经网络算法的自主迭代运算。

传统CPU架构往往需要数百甚至上千条指令才能完成一个神经元的处理，在AI芯片上可能只需要一条指令就能完成。

其次，解读主流的人工智能芯片。

AI的高级阶段是深度学习，而对于深度学习过程则可分为：训练和推断两个环节。

训练环节通常需要通过大量的数据输入或采取增强学习等非监督学习方法，训练出一个复杂的深度神经网络模型。训练过程由于涉及海量的训练数据和复杂的深度神经网络结构，需要的计算规模非常庞大，通常需要GPU集群训练几天甚至数周的时间，在训练环节GPU目前暂时扮演着难以轻易替代的角色。

推断环节指利用训练好的模型，使用新的数据去“推断”出各种结论，如视频监控设备通过后台的深度神经网络模型，判断一张抓拍到的人脸是否属于黑名单。虽然推断环节的计算量相比训练环节少，但仍然涉及大量的矩阵运算。

在推断环节，除了使用CPU或GPU进行运算外，FPGA以及ASIC均能发挥重大作用。目前，主流的人工智能芯片基本都是以GPU、FPGA、ASIC以及类脑芯片为主。

FPGA：

即专用集成电路，一种集成大量基本门电路及存储器的芯片，可通过烧入FPGA配置文件来来定义这些门电路及存储器间的连线，从而实现特定的功能。而且烧入的内容是可配置的，通过配置特定的文件可将FPGA转变为不同的处理器，就如一块可重复刷写的白板一样。

FPGA有低延迟的特点，非常适合在推断环节支撑海量的用户实时计算请求，如语音识别如LineLian2017年打造的裸眼3D试衣镜所采用的芯片。

由于FPGA适合用于低延迟的流式计算密集型任务处理，意味着FPGA芯片做面向与海量用户高并发的云端推断，相比GPU具备更低计算延迟的优势，能够提供更佳的消费者体验。在这个领域，主流的厂商包括Intel、亚马逊、百度、微软和阿里云。

ASIC：

即专用集成电路，不可配置的高度定制专用芯片。特点是需要大量的研发投入，如果不能保证出货量其单颗成本难以下降，而且芯片的功能一旦流片后则无更改余地，若市场深度学习方向一旦改变，ASIC前期投入将无法回收，意味着ASIC具有较大的市场风险。但ASIC作为专用芯片性能高于FPGA，如能实现高出货量，其单颗成本可做到远低于FPGA。

谷歌推出的TPU就是一款针对深度学习加速的ASIC芯片，而且TPU被安装到AlphaGo系统中。但谷歌推出的第一代TPU仅能用于推断，不可用于训练模型，但随着TPU2.0的发布，新一代TPU除了可以支持推断以外，还能高效支持训练环节的深度网络加速。

根据谷歌披露的测试数据，谷歌在自身的深度学习翻译模型的实践中，如果在32块顶级GPU上并行训练，需要一整天的训练时间，而在TPU2.0上，八分之一个TPUPod(TPU集群，每64个TPU组成一个Pod)就能在6个小时内完成同样的训练任务。

GPU：

即图形处理器。最初是用在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备上运行绘图运算工作的微处理器，可以快速地处理图像上的每一个像素点。后来科学家发现，其海量数据并行运算的能力与深度学习需求不谋而合，因此，被最先引入深度学习。

GPU之所以会被选为超算的硬件，是因为目前要求最高的计算问题正好非常适合并行执行。一个主要的例子就是深度学习，这是人工智能（AI）最先进的领域。

深度学习以神经网络为基础，神经网络是巨大的网状结构，其中的节点连接非常复杂。训练一个神经网络学习，很像我们大脑在学习时，建立和增强神经元之间的联系。

从计算的角度说，这个学习过程可以是并行的，因此它可以用GPU硬件来加速。这种机器学习需要的例子数量很多，同样也可以用并行计算来加速，在GPU上进行的神经网络训练能比CPU系统快许多倍。

目前，全球70%的GPU芯片市场都被NVIDIA占据，包括谷歌、微软、亚马逊等巨头也通过购买NVIDIA的GPU产品扩大自己数据中心的AI计算能力。

3. 智能硬件生产流程

智能软硬件的开发流程介绍

（1）需求调研及分析

凡是开发产品类的，都需要进行完成的市场调研，智能硬件也是一样，通过面向群体来收集有用的价值，从而对产品开发的导向及功能要求有明确的方向。

（2）产品原型设计

对于该产品的硬件、原件、结构进行开发，完成后进行联调测试，如果中途出现问题，需要重新设计，若通过进行组装及测试。

（3）试产阶段

小批量的进行产品试产，进行产品认证。

（4）产品运营硬件市场化量产阶段

一般情况下，需要等到一些认证做完，接到正式订单才会开始大规模生产。

三、站在软件肩旁上赋能软件

上文第二节里讲站在硬件的肩旁上赋能硬件里，硬件本身亦不是纯硬件，其中有软件部分且是必不可少的部分。

软件包含系统软件和应用软件，系统软件是软件的软件，是软件运行的平台，应用软件是为了完成特定产品业务运营而编写的软件。

常用的系统软件有操作系统（DOS、WINDOWS、UNIX、OS/2）、数据库管理系统（FoxPro、DB-2、Access、SQL-server）、编译软件（VB、C++、JAVA）。应用软件有文字处理软件（WORD、WPS）、信息管理软件、辅助设计软件（CAD）、实时控制软件(CAM)。再例如：APP、小程序等属于应用软件，Android/IOS等属于系统软件。

软件流程一般如下图：

AI需要的智能软硬件流程：

四、以智能家居的智能软硬件产品实战为例

本节以智能家居整体结构设计、芯片选型、模块设计实战经验为例讲一遍智能软硬件产品的打造流程。

先看下图为笔者操盘的智能家居整体结构图：

以下为整体结构图解析：

Android手机终端在连接的4G或WIFI情况下通，过向服务器发出 HTTP 请求完成对信息的查询和任务的设定。

云服务器根据用户需求提供必要的数据，并将对应的任务更新至数据库。嵌入式智能设备通过WIFI模块AT与服务器，进行Socket通信，服务器端使用基于JavaNIO的框架实现 Socket连接。

Android手机终端和智能设备通过不同的服务器进行通信，Android手机终端采用http 协议与服务器进行通信，服务器提供了用于通信的RESTful API，嵌入式智能设备基于 Socket与服务器连通。两个服务器部署在同一台机器上，通过MYSQL数据库做中间桥接，实现数据的共享。

再看下图为具体模块结构图：

上图中MCU负责整个模块的控制；WIFI模块实现模块的无线连接，并集成协议TCP/Ip协议，负责同服务器交换数据；开关控制使用继电器实现，能够实现弱电对强电的控制；湿度、温度、亮度模块根据不同模块的功能进行选装，从而实现对不同量的测量。

限位检测用于检测电机运行的位置状态，从而实现对宠物喂食中机械的控制，实现定量的喂食；RTC时钟为系统的运行提供时间基准；FRAM保存配置数据,即使在掉电后还能够执行之前设定的任务；基本的用户界面提供了现场的控制途径，使用户能够对模块进行直接的操作；供电使用AC/DC电源直接由220V供电或者使用DC进行供电，可以根据外部公开进行选择。

其次芯片选型。

选用M451LG6AE作为主控芯片M451LG6AE为 32位单片机，基于M4内核，具有足够的RAM和 Flash能够满足运行程序的要求。其具有多个串口，支持硬件的 SPI 及 I2C，能够方便实现的通信，具有 AD能够实现一些状态量的测量。

使用 DTH11进行温湿度的测量，其集成了温度及湿度检测功能,接口为单线制串口。节约 IO，使用 DS18B20进行范围较大的温度测量，其测温范围较广，具有密封的封装，能够测量液体温度，能多个并联。对于土壤湿度的测量，使用电阻式湿度传感器进行测量。

限位检测主要用于检测物体是否移动到了指定位置，或者在喂食装置中电机旋转的圈数（决定喂食的量），只需要输出开关量，因此使用光电门进行检测，使用非接触测量能够有效地延长传感器的使用时间，同时能够提供足够的精度。

为了实现高精度的计时，从而减小离线时出现的定时误差，使用外置的RTC DS3231 作为计时基准。DS3231 内置了带温补的晶振,能够实现较高精度的计时，满足运用的需求。

选择擦写次数多和读取速度块的FRAM FM24V系列，来进行设置数据的存储%使掉电复位后，仍然能够进行中断的任务。

使用 HLK-PM01 作为 AC/DC芯片，HLK-PM01 用于实现220VAC到 5VDC的转换，能够提供 3W的功率,足够系统的使用。使用 HLK_M30模块作为WIFI 模块，其体积很小，功耗较低，支持TCP Server/TCP Client /UDP Server/UDP Client工作方式，能够方便地实现互联网连接，串行接口能够方便地与主控器连接。

再则软件设计：

整体软件功能模块如下图：

其中1： 软件部分与硬件之间交互通信模块， APP通过HTTP 协议与服务器进行通信，采用 OkHttp 进行网络请求，请求的方式以 Post为主。

Android系统提供了两种 HTTP 交互的方式HTTPURL-CONNECTION和 APACHE HTTP CLIENT，虽然两者都支持 HTTPS流的上传和下载，配置超时IPV6和连接池，已足够满足各种HTTP请求的需求，但原生的HTTP 接口存在着 API 数量过多，扩展困难等不足。

因此产生了许多出色的网络通信库来替代原生的 HTTPURLConnection，其中OkHttp是最出色的一个。

使用 OkHttp 库进行更高效 HTTP请求可以让应用运行更快、更节省流量，因此，本项目中使用 OkHttp库依赖开发。

APP与服务器通信时采用 JSON格式进行数据传输，JSON 作为一种轻量级的数据交换格式，易于阅读和编写，并且多种编程语言均提供了对 JSON 格式数据解析的支持，易于机器解析和生成。

并且相比XML格式，JSON数据量更小，具有较高的有效数据率，有助于节省流量，提升网络传输速率。APP采用 Android 自带的 JSONObject 类进行 JSON数据的解析。

其中2： 登录模块，由于智能家居控制系统是一个面向多种需求多个用户的控制系统，需要建立用户系统，使不同的用户可以有序地管理自己的设备。

APP在启动时会首先检查本地是否存有用户的 token，如果不存在，跳转到登录界面，密码采用 MD5进行加密。用户登录成功后，将服务器发来的 token通过 SharedPreferences 保存在本地，以后每次网络请求通过这个token进行用户验证，而不需要重新进行登录。

其中3： 设备模块设备列表中选择一个设备进入设备控制页面，在设备控制页面可以进行查看设备信息，查看历史记录，对设备进行控制等操作。

进行设备控制时，智能照明控制开、关两种状态，智能浇水对浇水量进行控制，智能喂食对喂食量进行控制，每种设备的控制均提供手动和定时两种工作方式。在启动定时任务时，可以设置每周某几天在某个时间重复执行设备控制的任务。

其中4： 场景页面中可以添加的任务分为两种类型：

一种是对设备的控制任务，包含控制照明设备的开关，浇水设备的浇水量、喂食设备的喂食量等。另一种是延时任务，用于设定不同设备控制任务之间的延时间隔，场景可以设置为手动或定时启动两种方式。为了减少控制的复杂性，场景中的单项任务不能进行定时的设置，但可以通过设置场景整体的定时任务来实现场景中每个任务的定时执行。

希望通过以上智能软硬件产品实战，来传达一套系统的智能软硬件产品方法论！

五、Hold住产品靠本领，引领智能软硬件市场靠人性！

同样是语音识别猎豹做出来翻译棒，而天猫做出阿里智能音箱。同样是图像识别，用在机场可以协助安检通过，波士顿动力可以给机器狗避障！

智能软硬件产品运营是生意人，互联网产品运营是设计师。

而笔者爸爸说：

“10年难培养一个生意人，1年也许就能培养一个擅长用工具的设计师和程序员”。

比算法更难得是算法的思想，比编程工具更难的是编程的思维，比做产品更难的是产品的梦想！

运营好和卖好产品，并用户口口香传，与实现产品同样重要。没有指令机器不知运转，而没有机器指令又命谁运转？智能软硬件是产品运营的未来！

#专栏作家#

连诗路，公众号：LineLian。人人都是产品经理专栏作家，《产品进化论：AI+时代产品经理的思维方法》一书作者，前阿里产品专家，希望与创业者多多交流。

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题图来自 Unsplash，基于 CC0 协议

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