中南大學(xué)傳感與檢測(cè)ppt ch15-16-智能傳感器-網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器

1、 第第15章章 智能傳感器智能傳感器第第16章章 網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器15. 智能傳感器智能傳感器15.1 概述概述 英國(guó)稱智能傳感器為“Intelligent Sensor”；美國(guó)習(xí)慣稱其“Smart Sensor”。國(guó)內(nèi)將傳感器與微處理器賦予智能的結(jié)合，兼有信息檢測(cè)與信息處理功能的傳感器稱為智能傳感器智能傳感器(系系統(tǒng)統(tǒng))/Smart Sensor/Intelligent Sensor System。其最大特點(diǎn)是將傳感器的檢測(cè)功能與微處理器的信息處理功能有機(jī)融合。 智能傳感器基于人工智能、信息處理等技術(shù)實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)分析、判斷，量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換，漂移、非線性的自動(dòng)補(bǔ)償，對(duì)環(huán)境影響量的

2、自適應(yīng)，自學(xué)習(xí)及故障診斷等功能。 智能傳感器是一個(gè)最小微機(jī)系統(tǒng)，其控制核心-微處理器通常用單片機(jī)，其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。15.2 智能傳感器的特點(diǎn)智能傳感器的特點(diǎn) 相對(duì)傳統(tǒng)的傳感器，智能傳感器具有的特點(diǎn)：(1) 精度高(2) 可靠性與高穩(wěn)定性強(qiáng)(3) 高信噪比與高分辨率(4) 自適應(yīng)性強(qiáng) (5) 性能價(jià)格比高15.2 智能傳感器的功能智能傳感器的功能n 一般認(rèn)為傳感器“+”計(jì)算機(jī)構(gòu)成的智能傳感器應(yīng)有如下主要功能：(1) 自校準(zhǔn)和自診斷自校準(zhǔn)和自診斷 在自動(dòng)檢測(cè)各種被測(cè)參數(shù)時(shí)能夠：n 自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)調(diào)平衡、自動(dòng)校準(zhǔn)；n 某些還具有自標(biāo)定標(biāo)定功能，有的能在接通電源時(shí)自檢，在工作中實(shí)現(xiàn)運(yùn)行檢查、診

3、斷測(cè)試。(2) 自補(bǔ)償自補(bǔ)償n 補(bǔ)償：溫度、非線性、響應(yīng)時(shí)間和噪聲影響，交叉耦合干擾及緩慢時(shí)漂等影響。15.2 智能傳感器的功能智能傳感器的功能(3) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、邏輯判斷和信息處理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、邏輯判斷和信息處理n 按內(nèi)部程序自動(dòng)處理數(shù)據(jù)，如統(tǒng)計(jì)處理、剔除異常值；n 實(shí)現(xiàn)多種層次計(jì)算，包括信號(hào)調(diào)理(如數(shù)字濾波)、信號(hào)轉(zhuǎn)換(如AD轉(zhuǎn)換)、邏輯控制(如產(chǎn)生系統(tǒng)所需的各種激發(fā)脈沖信號(hào)，以數(shù)字合成方式輸出穩(wěn)定激勵(lì)信號(hào))、數(shù)據(jù)壓縮(如特征數(shù)據(jù)提取)、數(shù)據(jù)決策(如模式識(shí)別、數(shù)據(jù)分類)等。(4) n 通過內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換或數(shù)字化測(cè)量模塊提供數(shù)字量輸出； n 按標(biāo)準(zhǔn)接口總線規(guī)范提供輸出。（益處？）(5) 雙向通信雙向

4、通信n 關(guān)鍵標(biāo)志之一，無此功能，不能稱為智能化傳感器。n 用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)包括傳感器電氣接口的標(biāo)準(zhǔn)化以及傳輸協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化，可實(shí)現(xiàn)傳感器即插即用乃至分布式、可重配置的傳感器系統(tǒng)。15.3 智能傳感器的實(shí)現(xiàn)方式智能傳感器的實(shí)現(xiàn)方式 按智能合成方式，目前的發(fā)展有三種具體實(shí)現(xiàn)方式：1）集成化實(shí)現(xiàn)）集成化實(shí)現(xiàn)n 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)，利用半導(dǎo)體材料硅作為基本材料來制作敏感元件，將信號(hào)調(diào)理電路、微處理器單元等集成在一塊芯片上構(gòu)成的。故又可稱為集成智能傳感器。其外形如圖所示。15.3 智能傳感器的實(shí)現(xiàn)方式智能傳感器的實(shí)現(xiàn)方式2）非集成化實(shí)現(xiàn)）非集成化實(shí)

5、現(xiàn)n 非集成化智能傳感器是將傳統(tǒng)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一整體而構(gòu)成的一個(gè)智能傳感器系統(tǒng)。其框圖如圖所示。 15.3 智能傳感器的實(shí)現(xiàn)方式智能傳感器的實(shí)現(xiàn)方式3）混合實(shí)現(xiàn)）混合實(shí)現(xiàn)n 混合實(shí)現(xiàn)是指根據(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)字總線接口等，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)外殼里為混合實(shí)現(xiàn)的幾種方式。n 集成化敏感單元包括彈性敏感元件及變換器；信號(hào)調(diào)理電路包括多路開關(guān)、儀用放大器、基準(zhǔn)、A/D轉(zhuǎn)換器等；微處理器單元包括數(shù)字存儲(chǔ)(EPROM、ROM、

6、RAM)、I/O接口、微處理器、D/A轉(zhuǎn)換器等。 15.4 智能傳感器的應(yīng)用智能傳感器的應(yīng)用1） ST-3000系列智能壓力傳感器系列智能壓力傳感器n 圖所示為ST-3000系列智能壓力傳感器圖，它是由檢測(cè)和變送兩部分組成。15.4 智能傳感器的應(yīng)用智能傳感器的應(yīng)用2） 固體圖像傳感器固體圖像傳感器n 固體圖像傳感器主要有三種類型：第一種是電荷耦合器件(CCD)；第二種是MOS圖像傳感器，又稱為自掃描光電二極管陣列(SSPA)；第三種是電荷注入器件(CID)。n 下圖為這種三維結(jié)構(gòu)智能化傳感器的一種形式。 15.4 智能傳感器的應(yīng)用智能傳感器的應(yīng)用n 右上圖為具有三層結(jié)構(gòu)的三維集成智能圖像傳感

7、器的結(jié)構(gòu)圖。它用以提取待測(cè)物體的輪廓圖，它的第一層為光電轉(zhuǎn)換面陣，由第一層輸出的信號(hào)并行進(jìn)入第二層電流型MOS模擬信號(hào)調(diào)理電路，輸出的模擬信號(hào)再進(jìn)入第三層轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，與第三層相連的是信號(hào)讀出(放大)單元。n 右下圖為一個(gè)由多個(gè)智能圖像傳感器組成的圖像識(shí)別系統(tǒng)。此系統(tǒng)由光學(xué)透鏡系統(tǒng)、多個(gè)智能圖像傳感器和一個(gè)主計(jì)算機(jī)組成。15.5 智能傳感器的設(shè)計(jì)思路智能傳感器的設(shè)計(jì)思路n 智能傳感器的設(shè)計(jì)思路-以智能壓力傳感器的設(shè)計(jì)為例(1) 智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)n 智能壓力傳感器由半導(dǎo)體力敏元件（制作力敏元件時(shí),同時(shí)制作兩只溫敏二極管）、放大器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、雙積分

8、AD轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、接口電路、IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)接口、存儲(chǔ)器和部分外圍電路組成。n 15.5 智能傳感器的設(shè)計(jì)思路智能傳感器的設(shè)計(jì)思路(2) 敏感元件設(shè)計(jì)敏感元件設(shè)計(jì)n 利用集成電路工藝，根據(jù)圓形平膜片上各點(diǎn)應(yīng)力分布,在半導(dǎo)體圓形基片上擴(kuò)散出四個(gè)電阻，同時(shí)生成兩個(gè)溫敏二極管。 (3) 傳感器工藝設(shè)計(jì)傳感器工藝設(shè)計(jì) (4) 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)n 主要構(gòu)成的智能壓力傳感器軟件有控制程序、數(shù)據(jù)處理程序及輔助程序。16. 網(wǎng)絡(luò)化傳感器網(wǎng)絡(luò)化傳感器*16.1 網(wǎng)絡(luò)傳感器的概念網(wǎng)絡(luò)傳感器的概念n 網(wǎng)絡(luò)傳感器是指?jìng)鞲衅髟诂F(xiàn)場(chǎng)級(jí)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)就近登陸網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)所能及的范圍內(nèi)實(shí)時(shí)發(fā)布和共享。n

9、網(wǎng)絡(luò)傳感器主要是由信號(hào)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元及網(wǎng)絡(luò)接口單元組成。n 網(wǎng)絡(luò)傳感器的核心是使傳感器本身實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。 16.2 網(wǎng)絡(luò)傳感器的類型網(wǎng)絡(luò)傳感器的類型（1）基于現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)傳感器）基于現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)傳感器 現(xiàn)場(chǎng)總線隨現(xiàn)場(chǎng)儀表智能化和全數(shù)字化控制系統(tǒng)的需求而生，是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)。它可以把所有現(xiàn)場(chǎng)的傳感器、儀表與控制器等通過一根線纜連接形成網(wǎng)絡(luò)。傳感器智能化的目標(biāo)是信息處理的現(xiàn)場(chǎng)化，因而出現(xiàn)了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)傳感器。但由于有多種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)并存，且互不兼容，不同廠家的智能傳感器都采用各自的總線標(biāo)準(zhǔn)，影響了這種智能傳感器的應(yīng)用，為此提

10、出了通用接口的IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)。（2）基于以太網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)傳感器）基于以太網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)傳感器 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使得將以太網(wǎng)直接引入測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)成為一種趨勢(shì)。由于以太網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)(開放性好、通信快、價(jià)格低等)，人研究開發(fā)了基于以太網(wǎng)即基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)傳感器，該類傳感器通過網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)可直接接入Internet或Intranet,并可做到即插即用。通過嵌入TCP/IP協(xié)議，使傳感器相當(dāng)于Internet上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。16.3 網(wǎng)絡(luò)智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)1） IEEE1451智能變送器接口標(biāo)準(zhǔn)體系智能變送器接口標(biāo)準(zhǔn)體系n下表列舉了IEEE1451智能變送器接口標(biāo)準(zhǔn)族各成員的

11、名稱、描述與當(dāng)前發(fā)展?fàn)顟B(tài)。IEEE 1451 智能變送器系列標(biāo)準(zhǔn)體系16.3 網(wǎng)絡(luò)智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)2）IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的參考模型標(biāo)準(zhǔn)的參考模型16.3 網(wǎng)絡(luò)智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)3）IEEE1451.1標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn) IEEE1451.1標(biāo)準(zhǔn)通過定義兩個(gè)軟件接口實(shí)現(xiàn)智能傳感器或執(zhí)行器與多種網(wǎng)絡(luò)的連接，并可以實(shí)現(xiàn)具有互換性的應(yīng)用。下圖為IEEE1451. 1的實(shí)現(xiàn)。16.3 網(wǎng)絡(luò)智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)4）IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn) IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)定義了電子數(shù)據(jù)表格式（TEDS）和一個(gè)10線變送器獨(dú)立接口（Transducer

12、Independence Interface，TII）和變送器與微處理間通信協(xié)議，使變送器具有了即插即用能力。16.3 網(wǎng)絡(luò)智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)5）IEEE1451.3標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn) IEEE1451.3標(biāo)準(zhǔn)利用展布頻譜技術(shù)，在局部總線上實(shí)現(xiàn)通信，對(duì)連接在局部總線上的變送器進(jìn)行數(shù)據(jù)同步采集和供電。下圖為IEEE1451. 3的實(shí)現(xiàn)。16.3 網(wǎng)絡(luò)智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)6）IEEE1451.4標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn) IEEE1451.4標(biāo)準(zhǔn)定義了一種機(jī)制，用于將自識(shí)別技術(shù)運(yùn)用到傳統(tǒng)的模擬傳感器和執(zhí)行器中。它既有模擬信號(hào)傳輸模式，又有數(shù)字通信模式。圖為IEEE1451. 4的實(shí)現(xiàn)。16.4 基于基于IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)化傳感器標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)化傳感器1）基于）基于IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)的有線網(wǎng)絡(luò)化傳感器標(biāo)準(zhǔn)的有線網(wǎng)絡(luò)化傳感器n 下圖為基于IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的有線網(wǎng)絡(luò)化傳感器的典型體系結(jié)構(gòu)圖。 16.4 基于基于IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)化傳感器標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)化傳感器2）基于）基于IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器n 無線通信方式主要采用IEEE802.11、藍(lán)牙和ZigBee等三種標(biāo)準(zhǔn)。n 圖為基于IEEE1451.2和藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器體系結(jié)構(gòu)，其主要是由STIM、藍(lán)牙模塊和NCAP三個(gè)部分組成。16.4