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1、第11章 智能傳感器 11.1 智能傳感器概述智能傳感器概述 11.2 計算型智能傳感器計算型智能傳感器 11.3 特殊材料型智能傳感器特殊材料型智能傳感器 11.4 幾何結構型智能傳感器幾何結構型智能傳感器 11.5 智能傳感器實例智能傳感器實例 11.6 實訓實訓 11.1 智能傳感器概述智能傳感器概述 11.1 智能傳感器概述智能傳感器概述 國際電氣電子工程師學會（IEEE）在1998年通過了智能傳感器的定義，即 “除產生一個被測量或被控量的正確表示之外，還同時具有簡化換能器的綜合信息以用于網絡環(huán)境的功能的傳感器”。 11.1.1 智能傳感器的功能 先看一個智能傳感器的例子，圖11-1所
2、示為智能紅外線測溫儀原理框圖。 目目 標標 紅紅 外外 傳傳 感感 器器 溫溫 度度 傳傳 感感 器器 A/D 轉轉 換換 器器 單單 片片 機機 顯示儀表顯示儀表 記錄儀表記錄儀表 存儲器存儲器 RS-232接口接口 微微 型型 計計 算算 機機 A/D 轉轉 換換 器器 圖圖11-1 智能紅外線測溫儀原理框圖智能紅外線測溫儀原理框圖 環(huán)環(huán)境境 紅外傳感器將被檢測目標的溫度轉換為電信號，經AD變換后輸入單片機。 溫度傳感器將環(huán)境溫度轉換為電信號，經AD變換后輸入單片機。 單片機中存放有紅外傳感器的非線性校正數據。 紅外傳感器檢測的數據經單片機計算處理，消除非線性誤差后，可獲得被測目標的溫度特
3、性與環(huán)境溫度的關系。 供記錄、顯示、存儲備用。 可見，智能傳感器是具備了記憶、分析和思考能力，輸出期望值的傳感器。 （1）能提供更全面、更真實的信息，消除異常值、例外值。 （2）具有信號處理包括溫度補償、線性化等功能。 （3）隨機調整和自適應。 （4）一定程度的存儲、識別和自診斷。 （5）含有特定算法并可根據需要改變算法。 這種傳感器不僅在物理層面上檢測信號，而且在邏輯層面上對信號進行分析、處理、存儲和通信。 相當于具備了人類的記憶、分析、思考和交流的能力，即具備了人類的智能。 所以稱之為智能傳感器。 11.1.2 智能傳感器的層次結構智能傳感器的層次結構 人類的智能是怎么構成的呢？ 人類的智
4、能是基于即時獲得的信息和原先掌握的知識。 人類的智能是實現了多重傳感信息的融合并且把它與人類積累的知識結合了起來，如圖11-2所示。 大腦大腦 積累的積累的 知識知識 判斷判斷 人的大腦歸納人的大腦歸納 皮膚皮膚 傳感傳感 耳朵耳朵 傳感傳感 鼻子鼻子 傳感傳感 眼睛眼睛 傳感傳感 圖圖11-2 人類智能的構成人類智能的構成 智能傳感器也應該由多重傳感器或不同類型傳感器從外部目標以分布和并行的方式收集信息； 通過信號處理過程把多重傳感器的輸出或不同類型傳感器的輸出結合起來或集成在一起，實現傳感器信號融合或集成； 最后，根據先前擁有的關于被測目標的有關知識，進行最高級的智能信息處理過程。 將信息
5、轉換為知識和概念提供使用。 理想智能傳感器的層次結構應是三層： 1底層，分布并行傳感過程，實現被測信號的收集。 2中間層，將收集到的信號融合或集成，實現信息處理。 3頂層，中央集中抽象過程，實現融合或集成后的信息的知識處理。 11.1.3 智能傳感器的實現智能傳感器的實現 實現傳感器智能化，讓傳感器具備理想智能傳感器的層次結構，讓傳感器具備記憶、分析和思考能力。 就目前發(fā)展狀況看，有3條不同的途徑： （1）利用計算機合成（智能合成）； （2）利用特殊功能的材料（智能材料）； （3）利用功能化幾何結構（智能結構）； 11.2 計算型智能傳感器計算型智能傳感器 11.2 計算型智能傳感器計算型智能
6、傳感器 11.2.1 計算型智能傳感器構成方式計算型智能傳感器構成方式 計算型智能傳感器最常見，其底層、中間層和頂層分別由基本傳感器、信號處理電路和微處理器構成。 它們可以集成在一起，形成一個整體，封裝在一個殼體內，稱為集成化方式。 也可以互相遠離，分開放置在不同的位置或區(qū)域，稱為非集成化方式。 介于兩種方式之間的混合集成化方式。 1非集成化方式 非集成化傳感器是把基本傳感器、信號處理電路和帶數字總線接口的微處理器相隔一定距離組合在一起，構成智能傳感器系統。 此類智能傳感器系統實現方式方便快捷，熟悉自動化儀表與嵌入式系統設計的人都能入手。 目前國內外已有不少此類產品。 2集成化方式 集成化方式
7、是采用微型計算機技術和大規(guī)模集成電路工藝，把傳感元件、信號處理電路、微處理器集成在一個硅材料芯片上制成獨立的智能傳感器功能塊。 作為商品已有多種集成化智能傳感器，如單片智能壓力傳感器和智能溫度傳感器等。 3混合集成方式 混合集成方式是將智能傳感器的傳感元件、信號處理電路、微處理器等各個部分以不同的組合方式分別集成在幾個芯片上。 然后封裝在同一個外殼里。 11.2.2 計算型智能傳感器基本結構計算型智能傳感器基本結構 計算型智能傳感器通常表現為并行的多個基本傳感器（也可以是一個）與期望的數字信號處理硬件結合的傳感功能組件，如圖113所示。 期望的數字信號處理硬件安裝有專用程序，可以有效的改善測量
8、質量，增加準確性，可以為傳感器加入診斷功能和其它形式的智能。 傳感器傳感器1 傳感器傳感器2 傳感器傳感器3 模模 數數 變變 換換 數字數字 信號信號 處理處理 硬件硬件 電源電源 數數 模模 變變 換換 輸出輸出 圖圖11-3 計算型智能傳感器基本結構圖計算型智能傳感器基本結構圖 現今已有硅芯片等多種半導體和計算機技術應用于數字信號處理硬件的開發(fā)。 典型的數字信號處理硬件有如下幾種： 1.微控制器MCU（Microcontroller Units） 微控制器MCU實際上是專用的單片機。其包括微處理器、ROM和RAM存儲器、時鐘信號發(fā)生器和片內輸入輸出端口I/O等。其結構如圖11-4所示。
9、數據存儲器數據存儲器 程序存儲器程序存儲器 I/O接口接口 中央處理器單元（中央處理器單元（CPU） 時鐘信號發(fā)生器時鐘信號發(fā)生器 晶振晶振 數數據據總總線線 地地址址總總線線 數數字字輸輸入入 數數字字輸輸出出 置置位位 電電源源 接地接地 圖圖11-4 微控制器微控制器MCU結構框圖結構框圖 微控制器MCU為智能傳感器提供了靈活、快速、省時地實現一體控制的捷徑。 MCU編程較容易，邏輯運算能力強，可與各種不同類型的外設連接，這為MCU增加了設計中的選擇能力。 此外，大批量的硅芯片集成生產能力可使系統獲得更低成本、更高質量和更高的可靠性。 2.數字信號處理器DSP（digital signa
10、ol processor） DSP比一般單片機或MCU運算速度快，可供實時信號處理用。 典型的DSP可在不到100ns（10-9秒）的時間內執(zhí)行數條指令。這種能力使其可獲得最高達20MIPS（百萬條指令每秒）的運行速度，是通常MCU的1020倍。 DSP經常以MOPS（百萬次操作每秒）的速度工作，MOPS的速度要高于MIPS數倍以上。 以專用16位DSP（DSP56L811）為例，有如以下特點： （1）可在2.73.6V電壓范圍內工作，40MHz時鐘頻率、20MOPS操作速度; （2）單循環(huán)、多重累加位移計算方式； （3）16位指令和16位數據字長； （4）兩個36位累加器； （5）三個串行I
11、/O口； （6）16位并行I/O口，兩個外部中斷； （7）40MHz時鐘頻率下，功率損耗為120mW。 例如，汽車的接近障礙探測系統和減噪系統就使用了DSP與傳感器的結合； 檢查電機框架上螺栓孔傾斜度的智能傳感器就是用DSP代替原先的一臺主計算機，速度由原來的一分鐘檢查一個孔，提高到一分鐘檢查100個孔， 用來處理傳感器信號的DSP設計工具只有一張名片大。 3. 專用集成電路ASIC（application-specific integrated circuits） ASIC技術是利用計算機輔助設計，將可編程邏輯裝置（PLD）用于小于5000只邏輯門的低密度集成電路上，設計成可編程的低、中密度
12、集成的用戶電路，作為數字信號處理硬件使用。 具有相對低的成本和更短的更新周期。用戶電路上附加的邏輯功能可以實現某些特殊傳感要求的尋址。 混合信號的ASIC則可同時用于模擬信號與數字信號處理。 4.場編程邏輯門陣列FPGA（field-prorammable gate arrays） 場編程邏輯門陣列FPGA以標準單元用于中密度（小于100000只邏輯門）高端電路，設計成可編程的高密度集成的用戶電路，作為數字信號處理硬件使用。 FPGA和用于模擬量處理的同系列裝置場編程模擬陣列FPAA作為傳感器接口具有特殊的吸引力。 它們具有很強的計算能力，它們能減小開發(fā)周期，在投入使用后還可以再次重新設計信號
13、處理程序，調整傳感功能。 5.微型計算機 當然，期望的數字信號處理硬件也可以用微型計算機來實現。 這樣組合成的計算型智能傳感器就不是一個集成單片傳感功能裝置，而是一個智能傳感器系統了。 今后，計算型智能傳感器還將進一步利用人工神經網絡、人工智能、多重信息融合等技術，從而具備分析、判斷、自適應、自學習能力，完成圖像識別、特征檢測和多維檢測等更為復雜的任務。 11.3 特殊材料型智能傳感器特殊材料型智能傳感器 11.3 特殊材料型智能傳感器特殊材料型智能傳感器 特殊材料型智能傳感器利用了特殊功能材料對傳感信號的選擇性能。 例如，在生物傳感器一節(jié)中曾提到過酶和微生物對特殊物質具有高選擇性，有時甚至能
14、辨別出一個特殊分子。 另一種化學智能傳感器是用具有不同特性和非完全選擇性的多重傳感器組成。 例如“電子鼻”的嗅覺系統 目前已經發(fā)現有幾種對有機或無機氣體具有不同敏感性或傳導性的材料，都已經或者正在獲得應用。 11.4 幾何結構型智能傳感器幾何結構型智能傳感器 11.4 幾何結構型智能傳感器幾何結構型智能傳感器 幾何結構型智能傳感器的信號處理是以傳感器本身的幾何或機械結構得以實現的，這使得信號處理可以大大簡化，響應很迅速。 前面所述的凸透鏡和凹透鏡就是一個幾何結構型光智能傳感器的例子。 幾何結構型智能傳感器的最重要特點是： 傳感器和信號處理、傳感和執(zhí)行、信號處理和信號傳輸等多重功能的合成。 11
15、.5 智能傳感器實例智能傳感器實例 11.5 智能傳感器實例智能傳感器實例 11.5.1 智能壓力傳感器智能壓力傳感器 智能壓力傳感器是計算型智能傳感器，它由主傳感器、輔助傳感器、微機硬件系統（數字信號處理器）三部分構成。 如圖115所示。 主傳感器為壓力傳感器，由它來測量被測壓力參數。輔助傳感器為溫度傳感器和環(huán)境壓力傳感器。 微機硬件系統（數字信號處理器），用于對傳感器輸出的微弱信號進行放大、處理、存儲和與計算機通信。 圖圖115 智能壓力傳感器構成框圖智能壓力傳感器構成框圖 11.5.2 氣象參數測試儀氣象參數測試儀 氣象參數測試儀也是一臺計算型智能傳感器，其結構組成如圖11-6所示。 （
16、1）實現風向、風速、溫度、濕度、氣壓的傳感器信號采集； （2）對采集的信號進行處理、顯示； （3）實現與微型計算機的數據通信，傳送儀器的工作狀態(tài)、氣象參數數據。 風向傳感器風向傳感器 風速傳感器風速傳感器 溫濕傳感器溫濕傳感器1 溫濕傳感器溫濕傳感器N 擴展數字接口擴展數字接口 氣壓傳感器氣壓傳感器 擴展模擬接口擴展模擬接口 數字數字 信號信號 處理處理 接口接口 電路電路 模擬信號模擬信號 處理處理 接口電路接口電路 單片機單片機 89C52 LCD 液晶液晶 顯示顯示 看門狗看門狗 電路電路 上上 位位 機機 按鍵接口電路按鍵接口電路 RS-485 RS-232 圖圖11-6 氣象參數測試
17、儀結構框圖氣象參數測試儀結構框圖 11.5.3 汽車制動性能檢測儀汽車制動性能檢測儀 制動性能的檢測有路試法和臺試法。 臺試法用得較多，它是通過在制動試驗臺上對汽車進行制動力的測量，并以車輪制動力的大小和左右車輪制動力的差值來綜合評價汽車的制動性能。 汽車制動性能檢測儀由左輪、右輪制動力傳感器及數據采集、處理與輸出系統組成，其總體框圖如圖117所示。 左輪左輪 制動力制動力 傳感器傳感器 右輪右輪 制動力制動力 傳感器傳感器 鍵盤鍵盤 打印機打印機 信號信號 處理處理 模塊模塊 12位位 A/D 轉換轉換 左輪左輪 滾筒滾筒 電機電機 右輪右輪 滾筒滾筒 電機電機 單片機單片機 AT89C52
18、 微型計算機微型計算機 串行驅動串行驅動 耦合驅動耦合驅動 左輪力左輪力 右輪力右輪力 LCD顯示器顯示器 圖圖117 汽車制動性能檢測儀總體框圖汽車制動性能檢測儀總體框圖 11.5.4 輪速智能傳感器輪速智能傳感器 輪速智能傳感器的硬件結構以單片機為核心，外部擴展8KBRAM和8KBEPROM，外圍電路有信號處理電路、總線通信控制及總線接口等，如圖11-8所示。 輪速智能傳感器檢測到的輪子轉動速度信號經濾波、整形變換為脈沖數字信號后，由光電隔離耦合接到80C31單片機端口。 輪速和其它測控數據由儀表盤上的儀器儀表顯示和使用。 輪速傳感器輪速傳感器 信號處理電路信號處理電路 光電隔離光電隔離
19、SJA1000 光光 電電 隔隔 離離 82C250 82C250 儀表盤智能儀表盤智能 測控節(jié)點測控節(jié)點 80 C31 單單 片片 機機 看門狗電路看門狗電路 8KBEPROM 8KBRAM CAN總線總線 車輪車輪 儀器儀器儀表儀表 圖圖11-8 輪速智能傳感器輪速智能傳感器 11.6 實訓實訓 11.6 實訓實訓 智能壓阻壓力傳感器，如圖119所示。其中作為主傳感器的壓阻壓力傳感器用于壓力測量，溫度傳感器用于測量環(huán)境溫度，以便進行溫度誤差修正。 做印制電路板、裝配元件、編制單片機程序完成該智能壓阻壓力傳感器，并進行性能測試。 壓力壓力 傳感器傳感器 溫度溫度 傳感器傳感器 放大器放大器 放大器放大器 多多 路路 轉轉 換換 器器 單單 片片 機機 顯示器顯示器 擴展擴展 鍵盤鍵盤 A / D 圖圖119 智能壓阻壓力傳感器組成框圖智能壓阻壓力傳感器組成框圖
第11章智能傳感器
