第11章智能傳感器

1、第12章 智能傳感器 v11.1 智能傳感器概述智能傳感器概述 v11.2 計(jì)算型智能傳感器計(jì)算型智能傳感器 v11.3 特殊材料型智能傳感器特殊材料型智能傳感器 v11.4 幾何結(jié)構(gòu)型智能傳感器幾何結(jié)構(gòu)型智能傳感器 v11.5 智能傳感器實(shí)例智能傳感器實(shí)例 11.1 智能傳感器概述智能傳感器概述v11.1 智能傳感器概述智能傳感器概述v 國(guó)際電氣電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）在1998年通過(guò)了智能傳感器的定義，即v “除產(chǎn)生一個(gè)被測(cè)量或被控量的正確表示之外，還同時(shí)具有簡(jiǎn)化換能器的綜合信息以用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的功能的傳感器”。v11.1.1 智能傳感器的功能v 先看一個(gè)智能傳感器的例子，圖11-1所示為

2、智能紅外線測(cè)溫儀原理框圖。 目目標(biāo)標(biāo)紅紅外外傳傳感感器器溫溫度度傳傳感感器器A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器單單片片機(jī)機(jī)顯示儀表顯示儀表記錄儀表記錄儀表存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器RS-232接口接口微微型型計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器圖圖11-1 智能紅外線測(cè)溫儀原理框圖智能紅外線測(cè)溫儀原理框圖 環(huán)環(huán)境境v 紅外傳感器將被檢測(cè)目標(biāo)的溫度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)AD變換后輸入單片機(jī)。v 溫度傳感器將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)AD變換后輸入單片機(jī)。v 單片機(jī)中存放有紅外傳感器的非線性校正數(shù)據(jù)。v 紅外傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)計(jì)算處理，消除非線性誤差后，可獲得被測(cè)目標(biāo)的溫度特性與環(huán)境溫度的關(guān)系。v 供記錄、顯示、存儲(chǔ)備用。v 可見(jiàn)，智

3、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。v（1）能提供更全面、更真實(shí)的信息，消除異常值、例外值。v（2）具有信號(hào)處理包括溫度補(bǔ)償、線性化等功能。v（3）隨機(jī)調(diào)整和自適應(yīng)。v（4）一定程度的存儲(chǔ)、識(shí)別和自診斷。v（5）含有特定算法并可根據(jù)需要改變算法。 v 這種傳感器不僅在物理層面上檢測(cè)信號(hào)，而且在邏輯層面上對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)和通信。v 相當(dāng)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。v 所以稱之為智能傳感器。 v11.1.2 智能傳感器的層次結(jié)構(gòu)智能傳感器的層次結(jié)構(gòu)v 人類的智能是怎么構(gòu)成的呢？v 人類的智能是基于即時(shí)獲得的信息和原先掌握的知識(shí)。v

4、 人類的智能是實(shí)現(xiàn)了多重傳感信息的融合并且把它與人類積累的知識(shí)結(jié)合了起來(lái)，如圖11-2所示。 大腦大腦積累的積累的知識(shí)知識(shí)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(gòu)成人類智能的構(gòu)成 v 智能傳感器也應(yīng)該由多重傳感器或不同類型傳感器從外部目標(biāo)以分布和并行的方式收集信息；v 通過(guò)信號(hào)處理過(guò)程把多重傳感器的輸出或不同類型傳感器的輸出結(jié)合起來(lái)或集成在一起，實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)融合或集成；v 最后，根據(jù)先前擁有的關(guān)于被測(cè)目標(biāo)的有關(guān)知識(shí)，進(jìn)行最高級(jí)的智能信息處理過(guò)程。v 將信息轉(zhuǎn)換為知識(shí)和概念提供使用。 v 理想智能傳感器的層次結(jié)構(gòu)

5、應(yīng)是三層：v1底層，分布并行傳感過(guò)程，實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)的收集。v2中間層，將收集到的信號(hào)融合或集成，實(shí)現(xiàn)信息處理。v3頂層，中央集中抽象過(guò)程，實(shí)現(xiàn)融合或集成后的信息的知識(shí)處理。 v11.1.3 智能傳感器的實(shí)現(xiàn)智能傳感器的實(shí)現(xiàn)v 實(shí)現(xiàn)傳感器智能化，讓傳感器具備理想智能傳感器的層次結(jié)構(gòu)，讓傳感器具備記憶、分析和思考能力。v 就目前發(fā)展?fàn)顩r看，有3條不同的途徑：v（1）利用計(jì)算機(jī)合成（智能合成）； v（2）利用特殊功能的材料（智能材料）； v（3）利用功能化幾何結(jié)構(gòu)（智能結(jié)構(gòu)）； 11.2 計(jì)算型智能傳感器計(jì)算型智能傳感器v11.2 計(jì)算型智能傳感器計(jì)算型智能傳感器v11.2.1 計(jì)算型智能傳感器構(gòu)成

6、方式計(jì)算型智能傳感器構(gòu)成方式v 計(jì)算型智能傳感器最常見(jiàn)，其底層、中間層和頂層分別由基本傳感器、信號(hào)處理電路和微處理器構(gòu)成。v 它們可以集成在一起，形成一個(gè)整體，封裝在一個(gè)殼體內(nèi)，稱為集成化方式。v 也可以互相遠(yuǎn)離，分開(kāi)放置在不同的位置或區(qū)域，稱為非集成化方式。v 介于兩種方式之間的混合集成化方式。 v1非集成化方式v 非集成化傳感器是把基本傳感器、信號(hào)處理電路和帶數(shù)字總線接口的微處理器相隔一定距離組合在一起，構(gòu)成智能傳感器系統(tǒng)。v 此類智能傳感器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式方便快捷，熟悉自動(dòng)化儀表與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的人都能入手。v 目前國(guó)內(nèi)外已有不少此類產(chǎn)品。 v2集成化方式v 集成化方式是采用微型計(jì)算機(jī)技術(shù)和

7、大規(guī)模集成電路工藝，把傳感元件、信號(hào)處理電路、微處理器集成在一個(gè)硅材料芯片上制成獨(dú)立的智能傳感器功能塊。v 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。 v3混合集成方式v 混合集成方式是將智能傳感器的傳感元件、信號(hào)處理電路、微處理器等各個(gè)部分以不同的組合方式分別集成在幾個(gè)芯片上。v 然后封裝在同一個(gè)外殼里。 v11.2.2 計(jì)算型智能傳感器基本結(jié)構(gòu)計(jì)算型智能傳感器基本結(jié)構(gòu)v 計(jì)算型智能傳感器通常表現(xiàn)為并行的多個(gè)基本傳感器（也可以是一個(gè)）與期望的數(shù)字信號(hào)處理硬件結(jié)合的傳感功能組件，如圖11-3所示。v 期望的數(shù)字信號(hào)處理硬件安裝有專用程序，可以有效的改善測(cè)量質(zhì)量，

8、增加準(zhǔn)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(shù)數(shù)變變換換數(shù)字?jǐn)?shù)字信號(hào)信號(hào)處理處理硬件硬件電源電源數(shù)數(shù)模模變變換換輸出輸出圖圖11-3 計(jì)算型智能傳感器基本結(jié)構(gòu)圖計(jì)算型智能傳感器基本結(jié)構(gòu)圖 v 現(xiàn)今已有硅芯片等多種半導(dǎo)體和計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理硬件的開(kāi)發(fā)。v 典型的數(shù)字信號(hào)處理硬件有如下幾種：v1.微控制器MCU（Microcontroller Units）v 微控制器MCU實(shí)際上是專用的單片機(jī)。其包括微處理器、ROM和RAM存儲(chǔ)器、時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器和片內(nèi)輸入輸出端口I/O等。其結(jié)構(gòu)如圖11-4所示。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器程

9、序存儲(chǔ)器I/O接口接口中央處理器單元（中央處理器單元（CPU）時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器晶振晶振數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)總總線線地地址址總總線線數(shù)數(shù)字字輸輸入入數(shù)數(shù)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(jié)構(gòu)框圖結(jié)構(gòu)框圖 v 微控制器MCU為智能傳感器提供了靈活、快速、省時(shí)地實(shí)現(xiàn)一體控制的捷徑。v MCU編程較容易，邏輯運(yùn)算能力強(qiáng)，可與各種不同類型的外設(shè)連接，這為MCU增加了設(shè)計(jì)中的選擇能力。v 此外，大批量的硅芯片集成生產(chǎn)能力可使系統(tǒng)獲得更低成本、更高質(zhì)量和更高的可靠性。v2.數(shù)字信號(hào)處理器DSP（digital signaol processor）v DSP比一般單片機(jī)或

10、MCU運(yùn)算速度快，可供實(shí)時(shí)信號(hào)處理用。v 典型的DSP可在不到100ns（10-9秒）的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行數(shù)條指令。這種能力使其可獲得最高達(dá)20MIPS（百萬(wàn)條指令每秒）的運(yùn)行速度，是通常MCU的1020倍。v DSP經(jīng)常以MOPS（百萬(wàn)次操作每秒）的速度工作，MOPS的速度要高于MIPS數(shù)倍以上。 v 以專用16位DSP（DSP56L812）為例，有如以下特點(diǎn)：v（1）可在2.73.6V電壓范圍內(nèi)工作，40MHz時(shí)鐘頻率、20MOPS操作速度;v（2）單循環(huán)、多重累加位移計(jì)算方式；v（3）16位指令和16位數(shù)據(jù)字長(zhǎng)；v（4）兩個(gè)36位累加器；v（5）三個(gè)串行I/O口；v（6）16位并行I/O口，兩個(gè)

11、外部中斷；v（7）40MHz時(shí)鐘頻率下，功率損耗為120mW。 v 例如，汽車的接近障礙探測(cè)系統(tǒng)和減噪系統(tǒng)就使用了DSP與傳感器的結(jié)合；v 檢查電機(jī)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(tái)主計(jì)算機(jī)，速度由原來(lái)的一分鐘檢查一個(gè)孔，提高到一分鐘檢查100個(gè)孔，v 用來(lái)處理傳感器信號(hào)的DSP設(shè)計(jì)工具只有一張名片大。 v3. 專用集成電路ASIC（application-specific integrated circuits）v ASIC技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)成可編程的低、中密度集成的用戶電路，作為數(shù)字信號(hào)

12、處理硬件使用。v 具有相對(duì)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(shí)現(xiàn)某些特殊傳感要求的尋址。v 混合信號(hào)的ASIC則可同時(shí)用于模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)處理。 v4.場(chǎng)編程邏輯門陣列FPGA（field-prorammable gate arrays）v 場(chǎng)編程邏輯門陣列FPGA以標(biāo)準(zhǔn)單元用于中密度（小于100000只邏輯門）高端電路，設(shè)計(jì)成可編程的高密度集成的用戶電路，作為數(shù)字信號(hào)處理硬件使用。v FPGA和用于模擬量處理的同系列裝置場(chǎng)編程模擬陣列FPAA作為傳感器接口具有特殊的吸引力。v 它們具有很強(qiáng)的計(jì)算能力，它們能減小開(kāi)發(fā)周期，在投入使用后還可以再次重新設(shè)計(jì)信號(hào)處理程序，調(diào)整傳

13、感功能。 v5.微型計(jì)算機(jī)v 當(dāng)然，期望的數(shù)字信號(hào)處理硬件也可以用微型計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。v 這樣組合成的計(jì)算型智能傳感器就不是一個(gè)集成單片傳感功能裝置，而是一個(gè)智能傳感器系統(tǒng)了。v 今后，計(jì)算型智能傳感器還將進(jìn)一步利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能、多重信息融合等技術(shù)，從而具備分析、判斷、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)能力，完成圖像識(shí)別、特征檢測(cè)和多維檢測(cè)等更為復(fù)雜的任務(wù)。 11.3 特殊材料型智能傳感器特殊材料型智能傳感器v11.3 特殊材料型智能傳感器特殊材料型智能傳感器v 特殊材料型智能傳感器利用了特殊功能材料對(duì)傳感信號(hào)的選擇性能。v 例如，酶和微生物對(duì)特殊物質(zhì)具有高選擇性，有時(shí)甚至能辨別出一個(gè)特殊分子。v 另一種

14、化學(xué)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。v 例如“電子鼻”的嗅覺(jué)系統(tǒng) v 目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有幾種對(duì)有機(jī)或無(wú)機(jī)氣體具有不同敏感性或傳導(dǎo)性的材料，都已經(jīng)或者正在獲得應(yīng)用。 11.4 幾何結(jié)構(gòu)型智能傳感器幾何結(jié)構(gòu)型智能傳感器v11.4 幾何結(jié)構(gòu)型智能傳感器幾何結(jié)構(gòu)型智能傳感器v 幾何結(jié)構(gòu)型智能傳感器的信號(hào)處理是以傳感器本身的幾何或機(jī)械結(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)的，這使得信號(hào)處理可以大大簡(jiǎn)化，響應(yīng)很迅速。v 凸透鏡和凹透鏡就是一個(gè)幾何結(jié)構(gòu)型光智能傳感器的例子。 v 幾何結(jié)構(gòu)型智能傳感器的最重要特點(diǎn)是：v 傳感器和信號(hào)處理、傳感和執(zhí)行、信號(hào)處理和信號(hào)傳輸?shù)榷嘀毓δ艿暮铣伞?11.5 智能傳感器實(shí)例智

15、能傳感器實(shí)例v11.5 智能傳感器實(shí)例智能傳感器實(shí)例v11.5.1 智能壓力傳感器智能壓力傳感器v 智能壓力傳感器是計(jì)算型智能傳感器，它由主傳感器、輔助傳感器、微機(jī)硬件系統(tǒng)（數(shù)字信號(hào)處理器）三部分構(gòu)成。v 如圖11-5所示。 v 主傳感器為壓力傳感器，由它來(lái)測(cè)量被測(cè)壓力參數(shù)。輔助傳感器為溫度傳感器和環(huán)境壓力傳感器。v 微機(jī)硬件系統(tǒng)（數(shù)字信號(hào)處理器），用于對(duì)傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大、處理、存儲(chǔ)和與計(jì)算機(jī)通信。 圖圖11-5 智能壓力傳感器構(gòu)成框圖智能壓力傳感器構(gòu)成框圖 v11.5.2 氣象參數(shù)測(cè)試儀氣象參數(shù)測(cè)試儀v 氣象參數(shù)測(cè)試儀也是一臺(tái)計(jì)算型智能傳感器系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)組成如圖11-6所示。v（

16、1）實(shí)現(xiàn)風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓的傳感器信號(hào)采集；v（2）對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理、顯示；v（3）實(shí)現(xiàn)與微型計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信，傳送儀器的工作狀態(tài)、氣象參數(shù)數(shù)據(jù)。 風(fēng)向傳感器風(fēng)向傳感器風(fēng)速傳感器風(fēng)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(kuò)展數(shù)字接口擴(kuò)展數(shù)字接口氣壓傳感器氣壓傳感器擴(kuò)展模擬接口擴(kuò)展模擬接口數(shù)字?jǐn)?shù)字信號(hào)信號(hào)處理處理接口接口電路電路模擬信號(hào)模擬信號(hào)處理處理接口電路接口電路單片機(jī)單片機(jī)89C52LCD液晶液晶顯示顯示看門狗看門狗電路電路上上位位機(jī)機(jī)按鍵接口電路按鍵接口電路RS-485RS-232圖圖11-6 氣象參數(shù)測(cè)試儀結(jié)構(gòu)框圖氣象參數(shù)測(cè)試儀結(jié)構(gòu)框圖 v11.5.3 汽車制

17、動(dòng)性能檢測(cè)儀汽車制動(dòng)性能檢測(cè)儀v 制動(dòng)性能的檢測(cè)有路試法和臺(tái)試法。v 臺(tái)試法用得較多，它是通過(guò)在制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)汽車進(jìn)行制動(dòng)力的測(cè)量，并以車輪制動(dòng)力的大小和左右車輪制動(dòng)力的差值來(lái)綜合評(píng)價(jià)汽車的制動(dòng)性能。v 汽車制動(dòng)性能檢測(cè)儀由左輪、右輪制動(dòng)力傳感器及數(shù)據(jù)采集、處理與輸出系統(tǒng)組成，其總體框圖如圖11-7所示。 左輪左輪制動(dòng)力制動(dòng)力傳感器傳感器右輪右輪制動(dòng)力制動(dòng)力傳感器傳感器鍵盤鍵盤打印機(jī)打印機(jī)信號(hào)信號(hào)處理處理模塊模塊12位位A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換左輪左輪滾筒滾筒電機(jī)電機(jī)右輪右輪滾筒滾筒電機(jī)電機(jī)單片機(jī)單片機(jī)AT89C52微型計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)串行驅(qū)動(dòng)串行驅(qū)動(dòng)耦合驅(qū)動(dòng)耦合驅(qū)動(dòng)左輪力左輪力右輪力右輪力LCD顯示器

18、顯示器圖圖11-7 汽車制動(dòng)性能檢測(cè)儀總體框圖汽車制動(dòng)性能檢測(cè)儀總體框圖 v11.5.4 輪速智能傳感器輪速智能傳感器v 輪速智能傳感器的硬件結(jié)構(gòu)以單片機(jī)為核心，外部擴(kuò)展8KBRAM和8KBEPROM，外圍電路有信號(hào)處理電路、總線通信控制及總線接口等，如圖11-8所示。v 輪速智能傳感器檢測(cè)到的輪子轉(zhuǎn)動(dòng)速度信號(hào)經(jīng)濾波、整形變換為脈沖數(shù)字信號(hào)后，由光電隔離耦合接到80C31單片機(jī)端口。v 輪速和其它測(cè)控?cái)?shù)據(jù)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(hào)處理電路信號(hào)處理電路光電隔離光電隔離SJA1000光光電電隔隔離離82C25082C250儀表盤智能儀表盤智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)測(cè)控節(jié)點(diǎn)80C31單單片片機(jī)機(jī)看門狗電路看門狗