１３.１概述１３.１.１智能傳感器的概念智能傳感器這一名稱雖然至今未有確切含義，但從字面上看，所謂智能意味著這種傳感器具有一定人工智能，即使用電路代替一部分腦力勞動(dòng)。近年來(lái)，傳感器越來(lái)越多地和微處理機(jī)相結(jié)合，使傳感器不僅有視、嗅、味和聽(tīng)覺(jué)功能，還具有存儲(chǔ)、思維和邏輯判斷、數(shù)據(jù)處理、自適應(yīng)能力等功能，從而使傳感器技術(shù)提高到一個(gè)新水平。這一概念最初是美國(guó)宇航局在開(kāi)發(fā)宇宙飛船過(guò)程中根據(jù)需要而產(chǎn)生的，宇宙飛船上天后需要知道它的速度、位置和姿態(tài)等數(shù)據(jù)；為使宇航員正常生活，需要控制艙內(nèi)的溫度、氣壓、加速度、空氣成分等，因而要裝置大量的各類傳感器。下一頁(yè)返回１３.１概述具體地說(shuō)，凡是在同一殼體內(nèi)既有傳感元件，又有信號(hào)預(yù)處理電路和微處理器，其輸出方式可以是通信線ＲＳ－２３２或ＲＳ－４２２串行輸出，也可以是ＩＥＥＥ－４８８標(biāo)準(zhǔn)總線的并行輸出，以上這些功能可以由ｎ塊輸出獨(dú)立的模板構(gòu)成，裝在同一殼體內(nèi)構(gòu)成模塊智能傳感器，圖１３－１所示為一種智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu)。也可以把上述模塊集成化為硅片為基礎(chǔ)的超大規(guī)模集成電路的高級(jí)智能傳感器，如圖１３－２所示，此結(jié)構(gòu)是將傳感器、微處理機(jī)都集成在同一硅片上實(shí)現(xiàn)集成智能傳感器。日本已開(kāi)發(fā)出三維多功能多層結(jié)構(gòu)的智能傳感器。由此看來(lái)，智能傳感器也可以說(shuō)是一個(gè)微機(jī)小系統(tǒng)，其中作為系統(tǒng)“大腦”的微處理機(jī)通常是單片機(jī)。無(wú)論哪一種智能傳感器，都可用圖１３－３的框圖來(lái)表示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１３.１概述１３.１.２智能傳感器的功能概括而言，智能傳感器的主要功能有以下幾點(diǎn)：①具有自校零、自標(biāo)定、自校正功能；②具有自動(dòng)補(bǔ)償功能；③能夠自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；④能夠自動(dòng)進(jìn)行檢驗(yàn)、自選量程、自尋故障；⑤具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、記憶與信息處理功能；⑥具有雙向通信、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字輸出或者符號(hào)輸出功能；⑦具有判斷、決策處理功能。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１３.１概述１３.１.３智能傳感器的特點(diǎn)與傳統(tǒng)傳感器相比，智能傳感器的特點(diǎn)是：１.精度高智能傳感器有多項(xiàng)功能來(lái)保證它的高精度，如：通過(guò)自動(dòng)校零去除零點(diǎn)；與標(biāo)準(zhǔn)參考基準(zhǔn)實(shí)時(shí)對(duì)比以自動(dòng)進(jìn)行整體系統(tǒng)標(biāo)定；自動(dòng)進(jìn)行整體系統(tǒng)的非線性等系統(tǒng)誤差的校正；通過(guò)對(duì)采集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理以消除偶然誤差的影響等，從而保證了智能傳感器的高精度。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１３.１概述２.高可靠性與高穩(wěn)定性智能傳感器能自動(dòng)補(bǔ)償因工作條件與環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化后引起的系統(tǒng)特性的漂移，如：溫度變化而產(chǎn)生的零點(diǎn)和靈敏度的漂移；在當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化后能自動(dòng)改換量程；能實(shí)時(shí)自動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)的自我檢驗(yàn)，分析、判斷所采集到數(shù)據(jù)的合理性，并給出異常情況的應(yīng)急處理（報(bào)警或故障提示）。因此，有多項(xiàng)功能保證了智能傳感器的高可靠性與高穩(wěn)定性。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１３.１概述３.高信噪比與高分辨率由于智能傳感器具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、記憶與信息處理功能，通過(guò)軟件進(jìn)行數(shù)字濾波、相關(guān)分析等處理，可以去除輸入數(shù)據(jù)中的噪聲，將有用信號(hào)提取出來(lái)；通過(guò)數(shù)據(jù)融合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以消除多參數(shù)狀態(tài)下交叉靈敏度的影響，從而保證在多參數(shù)狀態(tài)下對(duì)特定參數(shù)測(cè)量的分辨率，故智能傳感器具有高的信噪比與高的分辨率。４.自適應(yīng)性強(qiáng)由于智能傳感器具有判斷、分析與處理功能，它能根據(jù)系統(tǒng)工作情況決策各部分的供電情況與高／上位計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳送速率，使系統(tǒng)工作在最優(yōu)低功耗狀態(tài)和優(yōu)化傳送速率。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１３.１概述５.性價(jià)比高智能傳感器所具有的上述高性能，不是像傳統(tǒng)傳感器技術(shù)追求傳感器本身的完善、對(duì)傳感器的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)與調(diào)試、進(jìn)行“手工藝品”的精雕細(xì)琢來(lái)獲得，而是通過(guò)與微處理器／微計(jì)算機(jī)結(jié)合，采用廉價(jià)的集成電路工藝和芯片以及強(qiáng)大的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以具有很高的性價(jià)比。上一頁(yè)返回１３.２智能傳感器實(shí)現(xiàn)的途徑１３.２.１非集成化的實(shí)現(xiàn)非集成化智能傳感器是將傳統(tǒng)的經(jīng)典傳感器（采用非集成化工藝制作的傳感器，僅具有獲取信號(hào)的功能），信號(hào)調(diào)理電路，帶數(shù)字總線接口的微處理器組合為整體而構(gòu)成的一個(gè)智能傳感器系統(tǒng)，其框圖如圖１３－７所示。這種非集成化智能傳感器是在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)發(fā)展形勢(shì)的推動(dòng)下迅速發(fā)展起來(lái)的。因?yàn)檫@種控制系統(tǒng)要求掛接的傳感器／變送器必須是智能型的，對(duì)于自動(dòng)化儀表生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，原有的一整套生產(chǎn)工藝設(shè)備基本不變。因此，對(duì)于這些廠家而言，非集成化實(shí)現(xiàn)是一種建立智能傳感器系統(tǒng)最經(jīng)濟(jì)、最快捷的途徑與方式。下一頁(yè)返回１３.２智能傳感器實(shí)現(xiàn)的途徑圖１３－８所示為模糊傳感器的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)和功能示意圖。其中，經(jīng)典數(shù)值測(cè)量單元不僅提取傳感信號(hào)，而且對(duì)其進(jìn)行數(shù)值預(yù)處理，如濾波、恢復(fù)信號(hào)等。符號(hào)產(chǎn)生和處理單元是模糊傳感器的核心部分，它利用已有的知識(shí)或經(jīng)驗(yàn)（通常存放在知識(shí)庫(kù)中），對(duì)已恢復(fù)的傳感信號(hào)進(jìn)一步處理，得到符號(hào)測(cè)量結(jié)果。符號(hào)處理則是采用模糊信息處理技術(shù)，對(duì)模糊后得到的符號(hào)形式的傳感信號(hào)，結(jié)合知識(shí)庫(kù)內(nèi)的知識(shí)（主要有模糊判斷規(guī)則、傳感信號(hào)特征、傳感器特征及測(cè)量任務(wù)要求等信息），經(jīng)過(guò)模糊推理和運(yùn)算，得到被測(cè)量的符號(hào)描述結(jié)果及其相關(guān)知識(shí)。當(dāng)然，模糊傳感器可以通過(guò)學(xué)習(xí)新的變化情況（如任務(wù)發(fā)生改變、環(huán)境變化等）來(lái)修正和更新知識(shí)庫(kù)內(nèi)的信息。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１３.２智能傳感器實(shí)現(xiàn)的途徑１３.２.２集成化的實(shí)現(xiàn)這種智能傳感器系統(tǒng)是采用微機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，利用硅作為基本材料來(lái)制作敏感元件、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器單元，并把它們集成在一塊芯片上而構(gòu)成的，故又可稱為集成智能傳感器，其外形如圖１３－９所示。隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，微米／納米技術(shù)的問(wèn)世，大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)的日臻完善，集成電路器件的密集度越來(lái)越高。它已成功地使各種數(shù)字電路芯片、模擬電路芯片、微處理器芯片、存儲(chǔ)器電路芯片的價(jià)格性能比大幅度下降。反過(guò)來(lái)，它又促進(jìn)了微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，形成了與傳統(tǒng)的經(jīng)典傳感器制作工藝完全不同的現(xiàn)代傳感器技術(shù)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１３.２智能傳感器實(shí)現(xiàn)的途徑現(xiàn)代傳感器技術(shù)，是指以硅材料為基礎(chǔ)（因?yàn)楣杓扔袃?yōu)良的電性能，又有極好的機(jī)械性能），采用微米（１μｍ～１ｍｍ）級(jí)的微機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)各種儀表傳感器系統(tǒng)的微米級(jí)尺寸化。國(guó)外也稱它為專用集成微型傳感技術(shù)，由此制作的智能傳感器的特點(diǎn)是：１.微型化微型壓力傳感器已經(jīng)可以小到放在注射針頭內(nèi)送進(jìn)血管測(cè)量血液流動(dòng)情況，裝在飛機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面用以測(cè)量氣體的流速和壓力。美國(guó)最近成功研發(fā)的微型加速度計(jì)可以使火箭或飛船的制導(dǎo)系統(tǒng)質(zhì)量從幾千克下降至幾克。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１３.２智能傳感器實(shí)現(xiàn)的途徑２.結(jié)構(gòu)一體化壓阻式壓力（差）傳感器是最早實(shí)現(xiàn)一體化結(jié)構(gòu)的。傳統(tǒng)的做法是先分別機(jī)械加工金屬圓膜片與圓柱狀環(huán)，然后把二者粘貼形成周邊固支結(jié)構(gòu)的“金屬杯”，再在圓膜片上粘貼電阻變換器（應(yīng)變片）而構(gòu)成壓力（差）傳感器，這就不可避免地存在蠕動(dòng)、遲滯、非線性特性。采用微機(jī)械加工和集成化工藝，不僅“硅杯”一次整體成形，而且電阻變換器與硅杯是完全一體化的。進(jìn)而可在硅杯非受力區(qū)制作調(diào)理電路、微處理器單元，甚至微執(zhí)行器，從而實(shí)現(xiàn)不同程度乃至整個(gè)系統(tǒng)的一體化。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１３.２智能傳感器實(shí)現(xiàn)的途徑３.精度高比起分體結(jié)構(gòu)，傳感器結(jié)構(gòu)本身一體化后，遲滯、重復(fù)性指標(biāo)將大大改善，時(shí)間漂移大大減小，精度提高。后續(xù)的信號(hào)調(diào)理電路與敏感元件一體化后可以大大減小由引線長(zhǎng)度帶來(lái)的寄生參量的影響，這對(duì)電容式傳感器更有特別更重要的意義。４.多功能微米級(jí)敏感元件結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)特別有利于在同一硅片上制作不同功能的多個(gè)傳感器，如，美國(guó)霍尼韋爾公司，２０世紀(jì)８０年代初期生產(chǎn)的ＳＴ－３０００型智能壓力（差）和溫度變送器，就是在一塊硅片上制作了感受壓力、壓差及溫度三個(gè)參量的，具有三種功能（可測(cè)壓力、壓差、溫度）的敏感元件結(jié)構(gòu)的傳感器。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１３.２智能傳感器實(shí)現(xiàn)的途徑５.陣列式微米技術(shù)已經(jīng)可以在１ｃｍ２大小的硅芯片上制作含有幾千個(gè)壓力傳感器陣列，例如，豐田中央研究所半導(dǎo)體研究室用微機(jī)械加工技術(shù)制作的集成化應(yīng)變計(jì)式面陣觸覺(jué)傳感器，在８ｍｍ×８ｍｍ的硅片上制作了１０２４個(gè)（３２×３２）敏感觸點(diǎn)（橋），基片四周還制作了信號(hào)處理電路，其元件總數(shù)為１６０００個(gè)。６.全數(shù)字化通過(guò)微機(jī)械加工技術(shù)可以制作各種形式的微結(jié)構(gòu)。其固有諧振頻率可以設(shè)計(jì)成某種物理參量（如溫度或壓力）的單值函數(shù)。因此可以通過(guò)檢測(cè)其諧振頻率來(lái)檢測(cè)被測(cè)物理量。這是一種諧振式傳感器，直接輸出數(shù)字量（頻率）。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１３.２智能傳感器實(shí)現(xiàn)的途徑７.使用方便，操作簡(jiǎn)單智能傳感器可以沒(méi)有外部連接元件，外接連線數(shù)量極少，包括電源、通信線可以少至４條，因此，接線極其簡(jiǎn)便。它還可以自動(dòng)進(jìn)行整體自校，無(wú)須用戶長(zhǎng)時(shí)間地反復(fù)多環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)與校驗(yàn)?！爸悄堋焙吭礁叩闹悄軅鞲衅?，它的操作使用越簡(jiǎn)便，用戶只需編制簡(jiǎn)單的使用主程序。根據(jù)以上特點(diǎn)可以看出：通過(guò)集成化實(shí)現(xiàn)的智能傳感器，為達(dá)到高自適應(yīng)性、高精度、高可靠性與高穩(wěn)定性，其發(fā)展主要有以下兩種趨勢(shì)：①多功能化、陣列化，加上強(qiáng)大的軟件信息處理功能；②發(fā)展諧振式傳感器，加入軟件信息處理功能。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１３.２智能傳感器實(shí)現(xiàn)的途徑１３.２.３混合實(shí)現(xiàn)根據(jù)需要與可能，將系統(tǒng)各個(gè)集成化環(huán)節(jié)，如：敏感單元、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器單元、數(shù)字總線接口，以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上，并裝在一個(gè)外殼里，如圖１３－１０中所示的幾種方式。集成敏感單元（對(duì)結(jié)構(gòu)型傳感器）包括彈性敏感元件及變換器。信號(hào)調(diào)理電路包括多路開(kāi)關(guān)、醫(yī)用放大器、基準(zhǔn)、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器ＡＤＣ等。微處理器單元包括數(shù)字存儲(chǔ)（ＥＰＲＯＭ、ＲＯＭ、ＲＡＭ）、Ｉ／Ｏ接口、微處理器、數(shù)／模轉(zhuǎn)換器（ＤＡＣ）等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１３.２智能傳感器實(shí)現(xiàn)的途徑圖１３－１０（ａ）中，將三塊集成化芯片封裝在一個(gè)外殼里。圖１３－１０（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）中，將兩塊集成化芯片封裝在一個(gè)外殼里。圖１３－１０（ａ）、（ｃ）中的（智能）信號(hào)調(diào)理電路，具有部分智能化功能，如自校零、自動(dòng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，因?yàn)檫@種電路帶有零點(diǎn)校正電路和溫度補(bǔ)償電路。１３.２.４集成化智能傳感器的幾種形式若按智能化程度來(lái)分，集成化智能傳感器有三種存在形式。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１３.２智能傳感器實(shí)現(xiàn)的途徑１.初級(jí)形式初級(jí)形式就是環(huán)節(jié)中沒(méi)有微處理器單元，只有敏感單元與（智能）信號(hào)調(diào)理電路，二者被封裝在一個(gè)外殼里。這是智能傳感器系統(tǒng)最早出現(xiàn)的商品化形式，也是最廣泛使用的形式，也被稱為“初級(jí)智能傳感器”。從功能來(lái)講，它只具有比較簡(jiǎn)單的自動(dòng)校零、非線性的自動(dòng)校正、溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能。這些簡(jiǎn)單的智能化功能是由硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，故通常稱該種硬件為智能調(diào)理電路。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１３.２智能傳感器實(shí)現(xiàn)的途徑２.中級(jí)形式／自立形式中級(jí)形式是在組成環(huán)節(jié)中除敏感單元與信號(hào)調(diào)理電路外，必須含有微處理器單元，即一個(gè)完整的傳感器系統(tǒng)封裝在一個(gè)外殼里的形式。它具有完善的智能化功能，這些智能化功能主要是由強(qiáng)大的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。３.高級(jí)形式高級(jí)形式是集成度進(jìn)一步提高，敏感單元實(shí)現(xiàn)多維陣列化，同時(shí)配備了更強(qiáng)大的信息處理軟件，從而具有更高級(jí)的智能化功能的形式。這時(shí)的傳感器系統(tǒng)不僅具有完善的智能化功能，而且還具有更高級(jí)的傳感器陣列信息融合功能，或具有成像與圖像處理等功能。上一頁(yè)返回１３.３智能傳感器輸出信號(hào)的預(yù)處理１３.３.１傳感器輸出信號(hào)的分類傳感器智能化之前必須對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，這是因?yàn)闄z測(cè)的非電量種類繁多，輸出的電信號(hào)有模擬量、數(shù)字量、開(kāi)關(guān)量等，絕大多數(shù)傳感器輸出信號(hào)不能直接作為轉(zhuǎn)換的輸入量，必須先通過(guò)各種預(yù)處理電路將傳感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的電壓信號(hào)或周期信號(hào)。微處理機(jī)要求輸入信號(hào)是一定字長(zhǎng)的并行脈沖信號(hào)，即二進(jìn)制數(shù)字信息。通常可以將傳感器輸出信號(hào)的形式做如下歸類：下一頁(yè)返回１３.３智能傳感器輸出信號(hào)的預(yù)處理１３.３.２開(kāi)關(guān)信號(hào)的預(yù)處理當(dāng)傳感器輸入的物理量小于某閾值時(shí)，傳感器處于“關(guān)”狀態(tài)；大于閾值時(shí)，處于“開(kāi)”狀態(tài)。實(shí)際使用中，輸入信號(hào)經(jīng)常伴有噪聲疊加成分，使傳感器不能在閾值點(diǎn)準(zhǔn)確地發(fā)生躍變。因此，為了消除噪聲和改善特性，常接入具有遲滯特性的電路，稱為鑒別器，或稱脈沖整形電路，如施密特觸發(fā)器。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１３.３智能傳感器輸出信號(hào)的預(yù)處理１３.３.３模擬信號(hào)的預(yù)處理模擬脈沖式傳感器信號(hào)一般需接脈沖限幅電路，使輸出變成窄脈沖，方可使用脈沖瞬值保持電路將脈沖擴(kuò)展，以便進(jìn)行Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換。多數(shù)模擬連續(xù)式傳感器輸出的模擬電壓在毫伏或微伏數(shù)量級(jí)，在信號(hào)內(nèi)還夾雜有干擾和噪聲，預(yù)處理電路的作用就在于將微弱的低電壓信號(hào)放大，其零位和放大倍數(shù)可以調(diào)整，使成為Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器所要求的滿量程電平。另一方面還可以抑制干擾，降低噪聲，從而保證檢測(cè)的精度，三運(yùn)放測(cè)量放大器是常用的預(yù)處理電路之一，如圖１３－１１所示，該測(cè)量放大器具有高的輸入阻抗，低的輸出阻抗，較高的共模抑制比，較低的失調(diào)電壓和溫度漂移。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１３.３智能傳感器輸出信號(hào)的預(yù)處理作三運(yùn)放測(cè)量放大器的常用高性能運(yùn)放有７６５０－ＣＭＯＳ斬波集成運(yùn)放（圖１３－１２），它屬第四代運(yùn)放，采用斬波自動(dòng)穩(wěn)零結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用方法和應(yīng)用場(chǎng)合與其他運(yùn)放相同，和其他運(yùn)放互換使用的區(qū)別在于電源電壓Ｕｍａｘ＝±５Ｖ和負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力?。ㄒ话憬樱保埃毽肛?fù)載）。感器智能處理中，尤其是在信號(hào)采集時(shí)要解決不同傳感器信號(hào)的接地困難問(wèn)題，也就是電氣隔離問(wèn)題。ＴＤ系列放大器采用變壓器隔離技術(shù)，把輸入信號(hào)放大、調(diào)制成高頻信號(hào)。經(jīng)高頻磁耦合變壓器送到相敏檢波器解調(diào)，使輸入輸出間在電氣上完全隔離，因此具有很高的共模抑制能力。特別是在信號(hào)采集時(shí)可解決不同的傳感器信號(hào)的接地困難。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１３.３智能傳感器輸出信號(hào)的預(yù)處理圖１３－１３所示為隔離放大器接口電路中應(yīng)用的實(shí)例，Ｕａ為系統(tǒng)地和變送器地之間的共模電壓，Ｕ０為變送器與地之間的共模電壓。由于ＴＤ２９０的隔離作用，傳感器可用其他系統(tǒng)作參考，這樣，傳感器信號(hào)和系統(tǒng)沒(méi)有公共參考點(diǎn)也能正常工作，真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器信號(hào)的浮動(dòng)測(cè)量。除ＴＤ２９０的隔離器外，還可用美國(guó)ＡＤ公司的ＡＤ２０２系列隔離放大器，其輸入阻抗高達(dá)１０１２

Ω，輸入電壓為±５Ｖ，頻率范圍為２ｋＨｚ，輸入電流極小，只有３０ｐＡ。上一頁(yè)返回１３.４數(shù)據(jù)采集傳感器信號(hào)經(jīng)預(yù)處理成為Ａ／Ｄ變換器所需要的電模擬信號(hào)，模擬電壓的數(shù)字化則要依賴于模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ＡＤＣ），它通過(guò)取樣、量化和編碼將輸入電信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)。１３.４.１數(shù)據(jù)采集的配置典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的配置如圖１３－１４所示，有的已實(shí)現(xiàn)集成化，圖１３－１４（ａ）所示為典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配置方法，多個(gè)傳感器的預(yù)處理電路輸出接入多路模擬開(kāi)關(guān)，然后經(jīng)過(guò)取樣／保持電路和Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換后進(jìn)入ＣＰＵ系統(tǒng)。下一頁(yè)返回１３.４數(shù)據(jù)采集圖１３－１４（ｂ）所示為同時(shí)采集，分時(shí)轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)；保證獲得各取樣點(diǎn)同一時(shí)刻的模擬量。這時(shí)，取樣保持電路在多路模擬開(kāi)關(guān)之前。在需要高速取樣時(shí)，系統(tǒng)中就需要每個(gè)傳感器有一個(gè)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器再進(jìn)入模擬開(kāi)關(guān)。這樣，系統(tǒng)價(jià)格會(huì)有所提高，如圖１３－１４（ｃ）所示。以上幾種方案的多路轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)全是單端的，各輸入信號(hào)以一個(gè)公共點(diǎn)為參考點(diǎn)，這個(gè)公共點(diǎn)可能與預(yù)處理放大器和Ａ／Ｄ參考點(diǎn)處于不同電位而引入干擾電壓ＵＮ，造成測(cè)量誤差。采用圖１３－１５（ｄ）所示的差分配置方式可抑制共模干擾，模擬開(kāi)關(guān)ＭＵＸ采用雙輸出器件可達(dá)到目的。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１３.４數(shù)據(jù)采集１３.４.２取樣周期的選擇對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行兩次采樣之間的時(shí)間間隔稱為取樣周期Ｔｓ。為了盡可能保持被取樣信號(hào)的真實(shí)性，取樣周期不宜太長(zhǎng)，要根據(jù)取樣定理來(lái)定。由取樣得到的輸出函數(shù)要能不失真地恢復(fù)出原來(lái)的信號(hào)。實(shí)際上，一般使取樣頻率ωｓ等于２.５～３倍的輸入信號(hào)最大頻率ωｍａｘ，有時(shí)以（５～１０）ωｍａｘ，根據(jù)實(shí)際需要而定。取樣周期的長(zhǎng)短也要涉及配置的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換芯片的選擇。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１３.４數(shù)據(jù)采集３.４.３Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的選擇Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的種類很多，主要分為比較型和積分型兩大類，其中，常用的是逐次逼近型、雙積分型和Ｖ－Ｆ轉(zhuǎn)換器。逐次逼近Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度高（１μｓ～１ｍｓ），有８～１４位精度任選，輸出響應(yīng)快，但抗干擾能力差些。雙積分Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器有很強(qiáng)的抗噪聲能力，精度很高，分辨率可達(dá)１２～２０位，價(jià)格便宜，但轉(zhuǎn)換速度較慢（４ｍｓ～１ｓ）。Ｖ－Ｆ轉(zhuǎn)換器是由積分器、比較器和整形電路構(gòu)成的，它把模擬電壓變換成相應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)，其頻率正比于輸入電壓值，然后用頻率計(jì)測(cè)量。Ｖ－Ｆ轉(zhuǎn)換器響應(yīng)速度快，抗干擾性能好，能連續(xù)轉(zhuǎn)換，適用于輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍寬和需要遠(yuǎn)距離傳送的場(chǎng)合，但轉(zhuǎn)換速度較慢。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１３.４數(shù)據(jù)采集常用的轉(zhuǎn)換器芯片有５Ｇ１４４３３（８位）、ＩＣＬ７３１５（１４位）、ＡＤＣ０８０９（８位）、ＡＤＣ１２１０（１２位）、ＡＤＣ５７４（１２位）等，還有的單片芯片內(nèi)含有Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，如８０９７轉(zhuǎn)換器，８０９７ＢＨ芯片內(nèi)含有１０位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器。雖然芯片繁多，性能各異，但從使用角度看，其外特性不外乎有以下四點(diǎn)：①模擬信號(hào)輸入端；②數(shù)字量的并行輸出端；③啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的外部控制信號(hào)；④轉(zhuǎn)換完畢同轉(zhuǎn)換器發(fā)出的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１３.４數(shù)據(jù)采集Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的工作大多數(shù)受微處理器的控制。當(dāng)微處理器給出控制信號(hào)，Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器執(zhí)行一次轉(zhuǎn)換，把模擬信號(hào)數(shù)字化。Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器電路的輸出有兩種方法：一種是可控的三態(tài)門(mén)，這時(shí)輸出線可以與微處理機(jī)的數(shù)據(jù)總線直接相連，并在轉(zhuǎn)換結(jié)束后利用讀信號(hào)ＲＤ控制三態(tài)門(mén)，把數(shù)據(jù)送上總線；另一種是沒(méi)有可控的三態(tài)門(mén)電路，由數(shù)據(jù)輸出寄存器直接與芯片管腳相連，這時(shí)，芯片的數(shù)據(jù)輸出線不能與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線通道直接相連，必須通過(guò)Ｉ／Ｏ通道與ＣＰＵ交換，盡管各自的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不一樣，任一型號(hào)的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器芯片均可與任何型的ＣＰＵ連接，它們的數(shù)據(jù)總線與地址總線幾乎都相同，差異僅在控制信號(hào)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１３.４數(shù)據(jù)采集因此，在改用不同的ＣＰＵ時(shí)，只需根據(jù)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的要求，變動(dòng)控制信號(hào)的連接即可。圖１３－１５所示為芯片與Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的連接。上一頁(yè)返回１３.５智能傳感器的數(shù)據(jù)處理技術(shù)１３.５.１數(shù)據(jù)處理包含的內(nèi)容對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理首先遇到的是數(shù)據(jù)本身的存儲(chǔ)，要仔細(xì)考慮數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在什么地方，要便于使用，要決定應(yīng)該如何組織信息，應(yīng)采用什么樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出對(duì)組織好的數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索的方法。任何數(shù)據(jù)處理都包含下列一個(gè)或幾個(gè)方面的工作。①數(shù)據(jù)收集：匯集所需要的信息。②數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：把信息轉(zhuǎn)換成適用于微處理器使用的方式。③數(shù)據(jù)分組：按有關(guān)信息進(jìn)行有效的分組。④數(shù)據(jù)組織：整理數(shù)據(jù)或用其他方法安排數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行處理和誤差修正。下一頁(yè)返回１３.５智能傳感器的數(shù)據(jù)處理技術(shù)⑤數(shù)據(jù)計(jì)算：進(jìn)行各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算，以便得到進(jìn)一步的信息。⑥數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：保存原始數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果，供以后使用。⑦數(shù)據(jù)搜索：按要求提供有用格式的信息，然后將結(jié)果按用戶要求輸出。數(shù)據(jù)的含義是十分廣泛的，智能傳感器的“數(shù)據(jù)”主要是指輸入非電量、輸出電量、誤差、特性表格等，一旦可用數(shù)據(jù)定下以后，怎樣使用這些數(shù)據(jù)是至關(guān)重要的。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１３.５智能傳感器的數(shù)據(jù)處理技術(shù)１３.５.２標(biāo)度變換技術(shù)各種不同傳感器都有不同的量綱和數(shù)值，被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)量后往往要轉(zhuǎn)換成人們熟悉的工程值，這是因?yàn)楸粶y(cè)對(duì)象各種數(shù)據(jù)的量綱同Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換的輸入值不一樣。例如，壓力單位為Ｐａ（帕）、溫度單位為Ｋ（開(kāi)）、流量單位為ｍ３／ｈ（立方米／小時(shí)），等等，這些參數(shù)經(jīng)過(guò)傳感器和Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器后得到一系列數(shù)碼，這些數(shù)碼值僅僅與輸入的參數(shù)值相對(duì)應(yīng)，因此必須把它轉(zhuǎn)換成帶有量綱的數(shù)值后才能運(yùn)算、顯示或打印輸出，這種轉(zhuǎn)換就是標(biāo)度變換。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１３.５智能傳感器的數(shù)據(jù)處理技術(shù)１３.５.３非線性補(bǔ)償技術(shù)在工程檢測(cè)中，人們總希望顯示儀器的值是均勻的，即輸出與輸入呈線性關(guān)系；希望在檢測(cè)過(guò)程中靈敏度是一致的，以便于分析處理。但是檢測(cè)傳感器的輸入輸出特性往往只在一定范圍內(nèi)近似呈線性，而在某些范圍內(nèi)則明顯呈非線性，同時(shí)，傳感器具有離散性，還可能產(chǎn)生溫漂、滯后等。智能傳感器可以用軟件處理方法來(lái)補(bǔ)償和校正以上誤差，從而提高其精度。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１３.５智能傳感器的數(shù)據(jù)處理技術(shù)１３.５.４傳感器的溫度誤差補(bǔ)償對(duì)于高精度傳感器，溫度誤差已成為提高其性能指標(biāo)的嚴(yán)重障礙（如硅壓阻、應(yīng)變式、間隙電容式傳感器等），尤其在環(huán)境溫度變化較大的應(yīng)用場(chǎng)合更是如此。若依靠傳感器本身附加一些簡(jiǎn)單的硬件補(bǔ)償措施實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償是很困難的，引入微處理器，利用軟件來(lái)解決這一難題是一條有效途徑。要實(shí)現(xiàn)傳感器的溫度補(bǔ)償，只要能精確地建立溫度誤差的數(shù)學(xué)模型就可獲得滿意的解決。這種溫度補(bǔ)償?shù)脑砣鐖D１３－１６所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１３.５智能傳感器的數(shù)據(jù)處理技術(shù)１３.５.５數(shù)字濾波技術(shù)實(shí)際測(cè)量中，由于被測(cè)對(duì)象的環(huán)境比較惡劣，干擾源比較多，在模擬系統(tǒng)中為了消除干擾常常采用濾波電路、有源濾波等，而在由微處理器對(duì)傳感器取樣時(shí)，為了減少取樣值的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性，常采用數(shù)字濾波方法。數(shù)字濾波與模擬濾波相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①不需增加任何硬件設(shè)備，只要在程序進(jìn)入數(shù)據(jù)處理和控制算法之前附加一段數(shù)字濾波軟件即可。②因沒(méi)有硬件設(shè)備、傳感器精度可以提高，不存在阻抗匹配問(wèn)題。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１３.５智能傳感器的數(shù)據(jù)處理技術(shù)③數(shù)字濾波可以多個(gè)通道共用，而模擬濾波則每個(gè)通道都要有。④可以對(duì)頻率很低的信號(hào)進(jìn)行濾波，而模擬濾波受電容器量值限制，頻率不宜太低。⑤使用靈活方便，可根據(jù)需要選擇不同的濾波方法和濾波參數(shù)。但是，數(shù)字濾波要占用計(jì)算時(shí)間，速度比硬件（模擬濾波）的慢。數(shù)字濾波方法有許多種，如算術(shù)平均濾波法、滑動(dòng)平均濾波法以及加權(quán)平均濾波法，可根據(jù)不同的干擾源性質(zhì)和不同測(cè)量參數(shù)來(lái)選擇。上一頁(yè)返回１３.６智能傳感器的硬件設(shè)計(jì)１３.６.１正確選擇微處理器由于集成一體化的智能傳感器尚處于研究階段，目前進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的大多數(shù)采用模塊化積木式的結(jié)構(gòu)，如圖１３－１７所示。其中，微處理器是智能傳感器的心臟，它的選擇至關(guān)重要。常用單片機(jī)作為智能傳感器的中央處理器，它有以下一些優(yōu)點(diǎn)：①硬件通用性強(qiáng)，應(yīng)用靈活，在不同場(chǎng)合應(yīng)用時(shí)，硬件的結(jié)構(gòu)基本不動(dòng)，只要改變固化在存儲(chǔ)器里的程序，就可更新?lián)Q代變成新產(chǎn)品。②指令系統(tǒng)適合實(shí)時(shí)控制。③體積小，執(zhí)行速度快。下一頁(yè)返回１３.６智能傳感器的硬件設(shè)計(jì)④可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。⑤可方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)分布式控制，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期短，開(kāi)發(fā)效率高，同一系列和配置接口的芯片種類多，功能全，便于挑選。因此，單片機(jī)在智能傳感器領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。那么如何選擇單片機(jī)芯片呢？這里提供幾點(diǎn)參考意見(jiàn)：①單片機(jī)位數(shù)和機(jī)器周期要與傳感器所能達(dá)到的精度和速度一致，例如，精度要求高的應(yīng)選用１２位、１６位的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，速度要求高的應(yīng)選用１６位微處理器。②輸入輸出控制特性要合適，如有無(wú)豐富的中斷、Ｉ／Ｏ接口、合適的定時(shí)器、帶負(fù)載能力強(qiáng)等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１３.６智能傳感器的硬件設(shè)計(jì)③單片機(jī)的運(yùn)算功能要滿足傳感器對(duì)數(shù)據(jù)處理運(yùn)算能力的要求，還要考慮盡量選用功耗小、價(jià)格便宜、使用方便、軟件熟悉的芯片。目前模塊式智能傳感器有關(guān)硬件選擇的流程框圖如圖１３－１７所示。１３.６.２智能傳感器的輸入輸出技術(shù)智能傳感器的組成除了中央處理器ＣＰＵ外，還必須引入輸入輸出的各種功能要求，所以它又可看作為一個(gè)微處理器小系統(tǒng)，廣泛采用鍵盤(pán)、ＬＥＤ顯示器、打印、串并口輸出等，一起構(gòu)成了人機(jī)對(duì)話的工具。傳感器可通過(guò)輸入設(shè)備十分靈活地接收各種命令和數(shù)據(jù)，通過(guò)輸出設(shè)備將測(cè)量結(jié)果、傳感器工作狀態(tài)進(jìn)行顯示打印控制等。上一頁(yè)下一