中南大學(xué)傳感與檢測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 英國稱智能傳感器為“Intelligent Sensor”；美國習(xí)慣稱其“Smart Sensor”。國內(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。其最大特點是將傳感器的檢測功能與微處理器的信息處理功能有機融合。 智能傳感器基于人工智能、信息處理等技術(shù)實現(xiàn)，可實現(xiàn)分析、判斷，量程自動轉(zhuǎn)換，漂移、非線性的自動補償，對環(huán)境影響量的

2、自適應(yīng)，自學(xué)習(xí)及故障診斷等功能。 智能傳感器是一個最小微機系統(tǒng)，其控制核心-微處理器通常用單片機，其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。15.2 智能傳感器的特點智能傳感器的特點 相對傳統(tǒng)的傳感器，智能傳感器具有的特點：(1) 精度高(2) 可靠性與高穩(wěn)定性強(3) 高信噪比與高分辨率(4) 自適應(yīng)性強 (5) 性能價格比高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“+”計算機構(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 在自動檢測各種被測參數(shù)時能夠：n 自動調(diào)零、自動調(diào)平衡、自動校準(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自檢，在工作中實現(xiàn)運行檢查、診

3、斷測試。(2) 自補償自補償n 補償：溫度、非線性、響應(yīng)時間和噪聲影響，交叉耦合干擾及緩慢時漂等影響。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、邏輯判斷和信息處理數(shù)據(jù)存儲、邏輯判斷和信息處理n 按內(nèi)部程序自動處理數(shù)據(jù)，如統(tǒng)計處理、剔除異常值；n 實現(xiàn)多種層次計算，包括信號調(diào)理(如數(shù)字濾波)、信號轉(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，以數(shù)字合成方式輸出穩(wěn)定激勵信號)、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)計方法，實現(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 智能傳感器的實現(xiàn)方式智能傳感器的實現(xiàn)方式 按智能合成方式，目前的發(fā)展有三種具體實現(xiàn)方式：1）集成化實現(xiàn)）集成化實現(xiàn)n 這種智能傳感器系統(tǒng)是采用微機械加工技術(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 智能傳感器的實現(xiàn)方式智能傳感器的實現(xiàn)方式2）非集成化實現(xiàn)）非集成化實

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，僅具有獲取信號的功能)、信號調(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)成的一個智能傳感器系統(tǒng)。其框圖如圖所示。 15.3 智能傳感器的實現(xiàn)方式智能傳感器的實現(xiàn)方式3）混合實現(xiàn)）混合實現(xiàn)n 混合實現(xiàn)是指根據(jù)需要與可能，將系統(tǒng)各個集成化環(huán)節(jié)，如敏感單元、信號調(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，并裝在一個外殼里為混合實現(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(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并行進入第二層電流型MOS模擬信號調(diào)理電路，輸出的模擬信號再進入第三層轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)并存儲在存儲器中，與第三層相連的是信號讀出(放大)單元。n 右下圖為一個由多個智能圖像傳感器組成的圖像識別系統(tǒng)。此系統(tǒng)由光學(xué)透鏡系統(tǒng)、多個智能圖像傳感器和一個主計算機組成。15.5 智能傳感器的設(shè)計思路智能傳感器的設(shè)計思路n 智能傳感器的設(shè)計思路-以智能壓力傳感器的設(shè)計為例(1) 智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計n 智能壓力傳感器由半導(dǎo)體力敏元件（制作力敏元件時,同時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、接口電路、IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)接口、存儲器和部分外圍電路組成。n 15.5 智能傳感器的設(shè)計思路智能傳感器的設(shè)計思路(2) 敏感元件設(shè)計敏感元件設(shè)計n 利用集成電路工藝，根據(jù)圓形平膜片上各點應(yīng)力分布,在半導(dǎo)體圓形基片上擴散出四個電阻，同時生成兩個溫敏二極管。 (3) 傳感器工藝設(shè)計傳感器工藝設(shè)計 (4) 軟件設(shè)計軟件設(shè)計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)傳感器是指傳感器在現(xiàn)場級實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使現(xiàn)場測控數(shù)據(jù)就近登陸網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)所能及的范圍內(nèi)實時發(fā)布和共享。n

9、網(wǎng)絡(luò)傳感器主要是由信號采集單元、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)場總線的網(wǎng)絡(luò)傳感器）基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)傳感器 現(xiàn)場總線隨現(xiàn)場儀表智能化和全數(shù)字化控制系統(tǒng)的需求而生，是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(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)場化，因而出現(xiàn)了基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)傳感器。但由于有多種現(xiàn)場總線標(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 計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使得將以太網(wǎng)直接引入測控現(xiàn)場成為一種趨勢。由于以太網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(開放性好、通信快、價格低等)，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上的一個節(jié)點。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)通過定義兩個軟件接口實現(xiàn)智能傳感器或執(zhí)行器與多種網(wǎng)絡(luò)的連接，并可以實現(xiàn)具有互換性的應(yīng)用。下圖為IEEE1451. 1的實現(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10線變送器獨立接口（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)，在局部總線上實現(xiàn)通信，對連接在局部總線上的變送器進行數(shù)據(jù)同步采集和供電。下圖為IEEE1451. 3的實現(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)定義了一種機制，用于將自識別技術(shù)運用到傳統(tǒng)的模擬傳感器和執(zhí)行器中。它既有模擬信號傳輸模式，又有數(shù)字通信模式。圖為IEEE1451. 4的實現(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、藍牙和ZigBee等三種標(biāo)準(zhǔn)。n 圖為基于IEEE1451.2和藍牙標(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、藍牙模塊和NCAP三個部分組成。16.4