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閱讀：40發(fā)布時間：2021-11-23
隨著微處理器技術的迅猛發(fā)展及測控系統(tǒng)自動化、智能化的發(fā)展，要求傳感器準確度高、可靠性高、穩(wěn)定性好， 而且具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，并能夠自檢、自校、自補償。傳統(tǒng)的傳感器已不能滿足這樣的要求。高性能的傳感器，需要利用計算機技術與傳感器技術相結合來彌補其性能的不足。計算機技術使傳感器技術發(fā)生了巨大的變革，微處理器(或微計算機)和傳感器相結合，產生了功能強大的智能式傳感器。
什么是智能傳感器
硅微電子技術的成熟使得在單個芯片中實現(xiàn)復雜結構的微電子機械系統(tǒng)成為現(xiàn)實，也給傳感器的微型化提供了基礎。同時采用 IC技術將信號處理和控制電路集成到單個芯片中 ，大大提高了傳感器的性能并擴展了傳感器的功能 ，即實現(xiàn)所謂的智能化。
所謂智能傳感器(intelligent sensor或smart sensor)，就是一種帶有微處理器的兼有檢測、判斷與信息處理功能的傳感器。智能傳感器的特點就是將傳感器檢測信息的功能與微處理器的信息處理功能有機融合在一起，從一定意義上講，它具有類似于人工智能的作用。
一般來說 ，智能傳感器是能夠實現(xiàn)對傳感器的原始數(shù)據(jù)進行加工處理，而并非 僅 僅 是 將 模 擬 信 號 轉 換 為 數(shù) 字 信 號 。根 據(jù) EDC（Electronic Development Corporation）的定 義 ，智能傳感器應具備如下的特征：
可以根據(jù)輸入信號值進行判斷和制定決策
可以通過軟件控制作出多種的決定
可以與外部進行信息交換 ，有 輸入輸出接口
具有自檢測 、自 修正和自保護功能
所謂的智能傳感器并非是簡單的單片機嵌入傳感器中將模擬信號轉換為數(shù)字信號，其實際所包括的內容要廣泛得多。從智能傳感器的概念產生和發(fā)展歷史來看， 其經歷了一個內涵不斷豐富的過程。 即使是傳統(tǒng)意義上的智能傳感器也并不具備這種功能。正如上面所提到的 ，在80年代 ，將信號處理電 路（濾 波 、放 大 、調 零 ）與 傳 感 器 設 計 在 一 起 ，輸 出0~5V電壓或4~20mA電流，這樣的傳感器即為當時意義上 的“ 智能傳感器 "；在80年代末期到90年代中后期，隨著單片機技術的發(fā)展 ，將單片微處理器嵌入傳感器中實現(xiàn)溫度補償 、修正 、校準，同 時A/D變換器直接將原來的模擬信號轉換為數(shù)字信號 ，這樣一來將“ 智能傳感器" 所包含的含義推進了一步。這種類型的傳感器在設計方法上已開始有所轉變，不再象以前是簡單的硬件構成 ，需要通過軟件對信號進行簡單處理 ，相應輸出的信號是數(shù)字信號；自“現(xiàn)場總線 "概念提出以后，基于現(xiàn)場總線的測量控制系統(tǒng)得到了廣泛的應用， 相應對傳感器的設計又提出了新的要求。從發(fā)展的角度看，未來單個傳感器獨立使用的場合將越來越少 ，更多的是多傳感器系統(tǒng)的應用以實現(xiàn)多參數(shù)的測量和多對象的控制。測量和控制信息的交換在底層主要是通過現(xiàn)場總線來完成。數(shù)據(jù)交換主要是通過Internet等網(wǎng)絡來實現(xiàn)。為 了 滿 足 這 種 多 傳 感 器 之 間 的 信 息 交換 ，傳感器設計上軟件占主要的地位，通過軟件將傳感器內部各個敏感單元或與外部的智能傳感器單元聯(lián)系在一起。軟件對象不再是以前的單個對象，而是整個系統(tǒng) ，其輸出的數(shù)字信號是符合某種協(xié)議格式的。從而可以實現(xiàn)傳感器與傳感器之間 、傳感器與執(zhí)行器之間、傳 感器與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和共享。因此智能網(wǎng)絡化是傳感器的未來發(fā)展方向。
智能網(wǎng)絡化傳感器及其系統(tǒng)的結構
從原理結構上看來，智能傳感器結構可以用下圖所示框圖來表示。
從上面的框圖可以發(fā)現(xiàn) ，一般意義上的傳感器（即敏感單元）在智能傳感器中僅僅占很少的一部分，信號處理電路占主要部分。與普通傳感器相比，智 能傳感器將傳感器使用過程中所涉及到的所有問題都包括了。
例如上圖所示的靈敏度、零點漂移 、標定等 ，即使是單物理量測量傳感器，也必須有標準的接口獲取所 ，加 上輸出顯示單元 ，這種單智能傳感器系統(tǒng)已經涵蓋了傳統(tǒng)的儀表概念。
基于分布式智能傳感器的測量控制系統(tǒng)是由一定的網(wǎng)絡將各個控制節(jié)點 、傳 感器節(jié)點及控制單元共同構成。其中傳感器節(jié)點是用來實現(xiàn)參數(shù)測量并將數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)絡中的其他節(jié)點；控制節(jié)點是根需要的信息（如溫度 、濕度等）以實現(xiàn)對被測物理量的標定和校準。在很多場合下?lián)枰獜木W(wǎng)絡中獲取所需要 的數(shù)據(jù)并根據(jù)這些數(shù)據(jù)制訂相應的控制方法和執(zhí)行控制輸出。在整個系統(tǒng)中 ，每個傳感器節(jié)點和控制節(jié)點是相互獨立且能夠自治 ?？刂乒?jié)點和傳感器節(jié) 點的數(shù)目可多可少，根據(jù)要求而定 。網(wǎng)絡的選擇可以是傳感器總線 、現(xiàn)場總線，也可以是企業(yè)內部的Ethernet，也可以直接是 Internet。一個智能傳感 器節(jié)點是由三部分構 成：傳統(tǒng)意義上的傳感器 、網(wǎng)絡接口和處理單元。根 據(jù)不同的要求，這三個部分可以是采用不同芯片共同組成合成式的 ，也可以是單片式的 。首先傳感器將被測量物理量轉換為電信號，通過A/D轉化為數(shù)字信號，經過微處理器的數(shù)據(jù)處理（濾波 、校準）后將結果傳送給網(wǎng)絡，與 網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交換有網(wǎng)絡接口模塊完成。
控制節(jié)點由微處理器、網(wǎng)絡接口及人機接口的輸入輸出設備組成。用來收集傳感器節(jié)點所發(fā)送來的信息，并反饋給用戶和輸出到執(zhí)行器，以實現(xiàn)一定的輸出。將所有的傳感器連接在一個公共的網(wǎng)絡上。為保證所有的傳感器節(jié)點和控制節(jié)點能夠實現(xiàn)即插即用，必須保證網(wǎng)絡中所有的節(jié)點能夠滿足共同的協(xié)議 。無論是硬件還是軟件都必須滿足一定的要求 ，只 要符合協(xié)議標準的節(jié)點都能夠接入系統(tǒng)。因 此為了保證這種即插即用的功能 ，智能傳感器的節(jié)點內部必須包含微處理芯片和存儲器 。一方面用來存儲傳感器的物理特征：偏移 、靈敏度 、校準參數(shù) ，甚至傳感器的廠家信息（維護等）， 另一方面用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和補償，以及輸出校準 。由于這些功能的實現(xiàn)是在每個傳感器內部完成 ，相應的內部參數(shù)在傳感器出廠的時候已經寫入內部寄存器中固定的單元，因此在更換和增加新的節(jié)點時候 ，無須對傳感器進行標定 、校準。
在很多的情況下，微處理器需要根據(jù)實際的需要對傳感器的輸入進行處理和變換。
智能傳感器系統(tǒng)的實現(xiàn)是在傳感器技術、計算機技術 、信號處理 、網(wǎng)絡控制等技術的基礎上發(fā)展起來的 ，并隨這些技術的發(fā)展而發(fā)展 ，但不是這些技術 的簡單合成。無論是微處理器還是網(wǎng)絡技術，都不是原來一般技術的簡單合成 ，下面針對網(wǎng)絡化傳感器系統(tǒng)所涉及的一些問題進行分析。
首先，系統(tǒng)構成。從計算機技術角度來看，一般計算機系統(tǒng)所處理的數(shù)據(jù)是數(shù)字信號， 且是直接通過外部設備輸入的，這些信號本身會受到外部設備限制 。但是對于傳感器系統(tǒng)來說所面對的是與外界環(huán)境相關的模擬信號， 信號與外界的一些物理量相關。這意味著信號的存在和信號的出現(xiàn)是受到環(huán)境限制的，為了滿足控制實時性的需要 ，信號的采樣必須保證實時性。
其次，信號處理方法。在網(wǎng)絡化使用環(huán)境中，即插即用是對網(wǎng)絡中的每個設備最基本的要求。但是由于每個被測物理量通過傳感器時輸入輸出的關系是不定的，有些是線性的，但更多的是非線性的 ，必須保證系統(tǒng)能夠準確識別被測對象，一方面要能夠確定探測器信號的位置，另一方面要能夠確定傳感器輸入輸出之間的關系以及物理量（一般被測物理量和傳感器輸出物理量不一定一樣。例如電容式壓力傳感器輸入為壓力， 輸出為電容）。這類似于傳統(tǒng)傳感器設計時涉及到的標定問題，但是不*一樣。因為一般傳感器設計中無須考慮輸入輸出物理量，僅僅只考慮它們之間的關系。
再次，需要考慮外部接口。從網(wǎng)絡化智能傳感器的應用來說，其一般使用在 自動化現(xiàn)場的測量控制級，相互之間需要通過現(xiàn)場總線連接在一起。對于不同的應用場合， 現(xiàn)在已經有很多不同的總線標準協(xié)議 。要保證所設計的傳感器*這些協(xié)議比較困難，這就必須考慮接口問題。這是智能網(wǎng)絡化傳感器與普通傳感器的區(qū)別。
最后 ，軟件工具的開發(fā)。由于過去傳感器*是由硬件所組成， 因此研究 的對象主要局限在傳感機理 、材料 、結構 、工藝等物理方面。而智能傳感器的智能性則是在硬件的基礎上通過軟件實現(xiàn)其價值的，軟件在智能傳感器中占據(jù)了主要的成分 。而且智能化的程度是與軟件的開發(fā)水平成正比的 ，相 信在不久的將來， 基于計算機平臺*通過軟件開發(fā)的虛擬傳感器會有十分廣泛的應用。軟件開發(fā)工具包括設計 、管 理和通訊管理等不同方面。目前這類工具已經開始出現(xiàn)，一般 C，LabView，ActiVeX等工具軟件都可以完成。軟件的功能主是與軟件的開發(fā)水平成正比的，用以實現(xiàn)傳感器模型建立 、標定參數(shù)建立 、標定模型選擇等。盡管智能傳感器的構成方法并非在所有 的場合使用都是合理的 ，但是在許多的應用中 ，其相對與傳 統(tǒng)傳感器的優(yōu)點是無法抗拒的。在大多數(shù)情況下 ，智能傳感器價格便宜 、使用方便 、性能* 、維護簡單 、功能擴展容易的優(yōu)點是傳統(tǒng)的傳感器所的 。特別是在一些應用傳感器較多的場合 ，無疑智能傳感器將是合理的選擇。
目前來說 ，考慮到投資因素，由于在過程測量控制領域中系統(tǒng)設計壽命一般都有幾十年，盡管傳統(tǒng)所使用的測量控制主要是模擬量傳輸?shù)?，而符合現(xiàn)場總線網(wǎng)絡標準的智能傳感器有很多優(yōu)點 ，但是更換這些傳感器執(zhí)行器需要花 費很多的時間和增加很大的投資，這種系統(tǒng)還會存在相當長的一段時間。過去這類系統(tǒng)功能的擴展比較困難 ，因此多種系統(tǒng)共存的局面將維持一段時間。
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