Mesure ce qui est mesurable et rend mesurable ce qui ne peut être mesuré. 测量所有可测量的，并让不可测量的变得可测量。

Galillée 伽利略

缘起

在法国读工程师快两年了，从今天起正式进入了专业课学习的阶段。我所选的专业是：Systèmes embarqués, mobilités et objets communicants（嵌入式系统与物联网）。一方面为了督促自己学习，另一方面为了锻炼自己的表达能力，决定开设这个专题，转述上课学到的知识，重新梳理所得。

输入-处理-输出

今天是专业课的第一节课，课程的名称是Communication et Mobilité，始终没有找到合适的翻译，但就课程内容而言，主要是关于传感器的，所以本文起名为“嵌入式系统的眼睛”。什么是嵌入式系统？我不想从维基上扒定义，老师也没有给出明确的定义。定义是抽象，要理解一个概念必须从具体到抽象，那么我们来看看身边有哪些嵌入式系统。简单的如电脑的各种外设：如鼠标键盘打印机；生活中的大小家电：音响，吸尘器，监控；复杂的如机器人，汽车，飞机，卫星等等。我们赖以生存的手机也是典型的嵌入式设备之一。嵌入式出现在我们生活中的方方面面。那么嵌入式系统的核心组成部分是什么？简单来说无非就是三个模块：Capteur（传感器）、Application de contrôle（控制单元）、和Actionneur（动作器）。从法语或者英语的角度理解这三个词的含义更为准确。Capteur或者Sensor的单词本身带有的含义分别是“抓取”和“感知”，所以嵌入式系统的第一个单元主要的作用就是从外界接受信息，其作用就像我们的各种器官。第二个部分就像我们的大脑，处理信息，得出结论，传递给第三个部分去完成。这第三个部分自然就是应对于提取到的信息而采取的行动，所以是Action。

由这三个核心部分构成了很多嵌入式系统的变种。第一个例子，汽车撞墙的一刹那，汽车内部的压力传感器感知到巨大的压力变化，触发电流，刺激汽车弹出安全气囊。这一个过程中几乎省略了控制单元，而简化为简单的逻辑电路。这样做的好处是快，非常的快，而且过程中几乎不需要用到汽车核心计算单元的各种处理，而可以理解为汽车的“应激反应”，就好像碰到了热的物体突然缩手一样，不需要思考。第二个例子，动物学家在森林中的斑马脖子上配戴了一个项圈，用以监视斑马群落的走向和它们的生活习惯。这个项圈的作用首先是采集数据然后传递数据给主机。由人（或计算机程序）处理数据，项圈本身不做任何Action（附着于动物身体上的设备越低调越好，否则很容易被毁坏）。以上两个例子分别省略了控制单元和动作器，从更大的角度来看只是把控制单元和控制器简化或外挂到别的实体上，其本质还是这三个模块。监视的目的是为了采取行动，什么都不干也是一种行动。但这一切的一切都不能离开传感器。

当我们说到传感器，我们在说什么？

传感器的本质是什么？如果让我来说就是将某一种物理属性转化为电压或电流等电特性的装置。老师说：传感器的本质在于测量。豁然开朗，搞不清楚传感器的本质搞半天都不知道自己在干什么的。说到测量，有什么问题是避不开的？单位！所以上课老师简要介绍了了各种物理单位。单位是科学人的语言，有了单位测量才能有意义，单位的增加也从另一个方面体现着人类认知的发展，所以直到上个世纪70年代还有新的单位加入进来（mol摩尔）。

搞清楚传感器的本质是测量之后，就要问自己一个终极问题：我要测什么？你可能会想，这是什么问题？（比如）我要测温度啊！可是再问一遍这个问题就细思恐极：你要测温度，那你到底要测什么？看似简单的问题恐怕难倒了不少像我这样自认为了解这个领域的人。

从1到2看似简单，其实从小数点后走过了无尽长路。

物理学家们悄然登场，轻声咳嗽说，我给你们带来了我们最新的研究成果——各种效应。什么是效应？我认为效应就是某种关联，当A条件满足的时候，事件B会发生，这就是效应。蝴蝶效应、马太效应什么的可能是玄学，但是物理学中讲到的效应是因果的传导。对于传感器而言，最喜欢的关联就是线性关联。因为非线性关联牵扯到的参数太多，结果预测难度太大。所以各种传感器都有自己的测量区间，为的就是保持其工作在线性可测的范围内。

比如测量温度。从温度单位到电学单位（电压，电流）该怎么走？物理学家为我们提供了Seebeck效应，这也就是热电偶的工作原理。简单来说就是金属由于温度差会产生内部电子的运动，从而产生电流。再某一区间内，电子运动的变化是线性于温度变化的，所以通过比例的关系将温度转化为电流的变化。

从简单到复杂

之前提到的嵌入式系统三大组成部分简化了很多内容。这里稍微展开来说一下第一个部分和第三个部分在实际的电子系统中是怎样的流程。第一个链条是输入链：传感器 - 放大器 - 滤波器 - 采样器 - 模数转换 - （处理单元）。传感器获取信息转化为电信号，微弱的电信号经过放大，滤去一部分噪音，形成可供处理的模拟信号，模拟信号再经采样单元和模数转换变为数字信号交由处理单元处理。第二个链条输出链几乎是同样的逆过程：（处理单元）- 数模转换 - 滤波器 - 放大器 - 动作器。在这里留一个思考题，输出链中的滤波是做什么用的呢？

在复杂多变的世界中，总是要做出选择做出妥协，人生艰难，选择传感器也是一样。需要考虑很多条件：可靠性、准确性、精确度、分辨率、Finesse（测量时对被测实体性质的影响）、敏感度等等。选择传感器要在这些条件中做出妥协，最终屈服于价格，做出最后的选择。

后记

第一课就上到了这里，老师讲的兴起，拖堂五分钟还有一个最后的案例没有讲。3个小时150页PPT的精华交付给你（和我自己），其中穿插着我自己的理解，希望能给看这篇文章的人带来帮助。在这篇笔记里忽略了的核心内容是各种测量中用到的物理效应，一一解释实在艰深复杂，我也没有完全弄懂，现列举如下，以备后用：

测量温度：Effet Seebeck, Effet Peltier, Effet Thomson, 红外测温。

测量光辐射：Effet de photoconduction光电导效应, Effet de photo-électrique光电效应

Effet Pyroélectrique热释电效应

Effet Induction électro-magnétique电磁感应

Effet Hall霍尔效应

测量压力（形变）：Effet piezoélectrique压电效应