中南大学传感与检测pptch15-16-智能传感器-网络化智能传感器.

第15章智能传感器第16章网络化智能传感器15.智能传感器15.1概述英国称智能传感器为“IntelligentSensor”；美国习惯称其“SmartSensor”。国内将传感器与微处理器赋予智能的结合，兼有信息检测与信息处理功能的传感器称为智能传感器(系统)/SmartSensor/IntelligentSensorSystem。其最大特点是将传感器的检测功能与微处理器的信息处理功能有机融合。智能传感器基于人工智能、信息处理等技术实现，可实现分析、判断，量程自动转换，漂移、非线性的自动补偿，对环境影响量的自适应，自学习及故障诊断等功能。智能传感器是一个最小微机系统，其控制核心-微处理器通常用单片机，其基本结构框图如图所示。15.2智能传感器的特点相对传统的传感器，智能传感器具有的特点：(1)精度高(2)可靠性与高稳定性强(3)高信噪比与高分辨率(4)自适应性强(5)性能价格比高15.2智能传感器的功能一般认为传感器“+”计算机构成的智能传感器应有如下主要功能：(1)自校准和自诊断在自动检测各种被测参数时能够：自动调零、自动调平衡、自动校准；某些还具有自标定功能，有的能在接通电源时自检，在工作中实现运行检查、诊断测试。(2)自补偿补偿：温度、非线性、响应时间和噪声影响，交叉耦合干扰及缓慢时漂等影响。15.2智能传感器的功能(3)数据存储、逻辑判断和信息处理按内部程序自动处理数据，如统计处理、剔除异常值；实现多种层次计算，包括信号调理(如数字滤波)、信号转换(如A／D转换)、逻辑控制(如产生系统所需的各种激发脉冲信号，以数字合成方式输出稳定激励信号)、数据压缩(如特征数据提取)、数据决策(如模式识别、数据分类)等。(4)数字量输出或总线式输出通过内部模数转换或数字化测量模块提供数字量输出；按标准接口总线规范提供输出。（益处？）(5)双向通信关键标志之一，无此功能，不能称为智能化传感器。用模块化、标准化设计方法，实现包括传感器电气接口的标准化以及传输协议的标准化，可实现传感器即插即用乃至分布式、可重配置的传感器系统。15.3智能传感器的实现方式按智能合成方式，目前的发展有三种具体实现方式：1）集成化实现这种智能传感器系统是采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用半导体材料硅作为基本材料来制作敏感元件，将信号调理电路、微处理器单元等集成在一块芯片上构成的。故又可称为集成智能传感器。其外形如图所示。15.3智能传感器的实现方式2）非集成化实现非集成化智能传感器是将传统传感器(采用非集成化工艺制作的传感器，仅具有获取信号的功能)、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合为一整体而构成的一个智能传感器系统。其框图如图所示。15.3智能传感器的实现方式3）混合实现混合实现是指根据需要与可能，将系统各个集成化环节，如敏感单元、信号调理电路、微处理器单元、数字总线接口等，以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上，并装在一个外壳里为混合实现的几种方式。集成化敏感单元包括弹性敏感元件及变换器；信号调理电路包括多路开关、仪用放大器、基准、A/D转换器等；微处理器单元包括数字存储(EPROM、ROM、RAM)、I/O接口、微处理器、D/A转换器等。15.4智能传感器的应用1）ST-3000系列智能压力传感器图所示为ST-3000系列智能压力传感器图，它是由检测和变送两部分组成。15.4智能传感器的应用2）固体图像传感器固体图像传感器主要有三种类型：第一种是电荷耦合器件(CCD)；第二种是MOS图像传感器，又称为自扫描光电二极管阵列(SSPA)；第三种是电荷注入器件(CID)。下图为这种三维结构智能化传感器的一种形式。15.4智能传感器的应用右上图为具有三层结构的三维集成智能图像传感器的结构图。它用以提取待测物体的轮廓图，它的第一层为光电转换面阵，由第一层输出的信号并行进入第二层电流型MOS模拟信号调理电路，输出的模拟信号再进入第三层转换成二进制数并存储在存储器中，与第三层相连的是信号读出(放大)单元。右下图为一个由多个智能图像传感器组成的图像识别系统。此系统由光学透镜系统、多个智能图像传感器和一个主计算机组成。15.5智能传感器的设计思路智能传感器的设计思路--以智能压力传感器的设计为例(1)智能压力传感器的结构设计智能压力传感器由半导体力敏元件（制作力敏元件时,同时制作两只温敏二极管）、放大器、转换开关、双积分A／D转换器、单片机、接口电路、IEEE-488标准接口、存储器和部分外围电路组成。15.5智能传感器的设计思路(2)敏感元件设计利用集成电路工艺，根据圆形平膜片上各点应力分布,在半导体圆形基片上扩散出四个电阻，同时生成两个温敏二极管。(3)传感器工艺设计(4)软件设计主要构成的智能压力传感器软件有控制程序、数据处理程序及辅助程序。16.网络化传感器*16.1网络传感器的概念网络传感器是指传感器在现场级实现网络协议，使现场测控数据就近登陆网络，在网络所能及的范围内实时发布和共享。网络传感器主要是由信号采集单元、数据处理单元及网络接口单元组成。网络传感器的核心是使传感器本身实现网络通信协议。16.2网络传感器的类型（1）基于现场总线的网络传感器现场总线随现场仪表智能化和全数字化控制系统的需求而生，是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网。它可以把所有现场的传感器、仪表与控制器等通过一根线缆连接形成网络。传感器智能化的目标是信息处理的现场化，因而出现了基于现场总线的网络传感器。但由于有多种现场总线标准并存，且互不兼容，不同厂家的智能传感器都采用各自的总线标准，影响了这种智能传感器的应用，为此提出了通用接口的IEEE1451标准。（2）基于以太网络的网络传感器计算机网络技术的发展，使得将以太网直接引入测控现场成为一种趋势。由于以太网技术的优势(开放性好、通信快、价格低等)，人研究开发了基于以太网即基于TCP/IP协议的网络传感器，该类传感器通过网络介质可直接接入Internet或Intranet,并可做到即插即用。通过嵌入TCP/IP协议，使传感器相当于Internet上的一个节点。16.3网络智能传感器接口标准1）IEEE1451智能变送器接口标准体系下表列举了IEEE1451智能变送器接口标准族各成员的名称、描述与当前发展状态。IEEE1451智能变送器系列标准体系16.3网络智能传感器接口标准2）IEEE1451标准的参考模型16.3网络智能传感器接口标准3）IEEE1451.1标准IEEE1451.1标准通过定义两个软件接口实现智能传感器或执行器与多种网络的连接，并可以实现具有互换性的应用。下图为IEEE1451.1的实现。16.3网络智能传感器接口标准4）IEEE1451.2标准IEEE1451.2标准定义了电子数据表格式（TEDS）和一个10线变送器独立接口（TransducerIndependenceInterface，TII）和变送器与微处理间通信协议，使变送器具有了即插即用能力。16.3网络智能传感器接口标准5）IEEE1451.3标准IEEE1451.3标准利用展布频谱技术，在局部总线上实现通信，对连接在局部总线上的变送器进行数据同步采集和供电。下图为IEEE1451.3的实现。16.3网络智能传感器接口标准6）IEEE1451.4标准IEEE1451.4标准定义了一种机制，用于将自识别技术运用到传统的模拟传感器和执行器中。它既有模拟信号传输模式，又有数字通信模式。图为IEEE1451.4的实现。16.4基于IEEE1451标准的网络化传感器1）基于IEEE1451.2标准的有线网络化传感器下图为基于IEEE1451标准的有线网络化传感器的典型体系结构图。16.4基于IEEE1451标准的网络化传感器2）基于IEEE1451.2标准的无线网络传感器无线通信方式主要采用IEEE802.11、蓝牙和ZigBee等三种标准。图为基于IEEE1451.2和蓝牙标准的无线网络传感器体系结构，其主要是由STIM、蓝牙模块和NCAP三个部分组成。16.4基于IEEE1451标准的网络化传感器2）基于IEEE1451.2标准的无线网络传感器为有效地实现无线智能传感器，通常都是将IEEE1451标准和ZigBee标准结合起来进行设计，其基本方案有无线STIM和无线的NCAP终端两种（如图）。16.5网络传感器所在网络的体系结构下图为利用网络化传感器进行网络化测控的基本系统结构。