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1、第11章 智能傳感器 11.1 智能傳感器概述智能傳感器概述 11.2 計(jì)算型智能傳感器計(jì)算型智能傳感器 11.3 特殊材料型智能傳感器特殊材料型智能傳感器 11.4 幾何結(jié)構(gòu)型智能傳感器幾何結(jié)構(gòu)型智能傳感器 11.5 智能傳感器實(shí)例智能傳感器實(shí)例 11.6 實(shí)訓(xùn)實(shí)訓(xùn) 11.1 智能傳感器概述智能傳感器概述 11.1 智能傳感器概述智能傳感器概述 國(guó)際電氣電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）在1998年通過(guò)了智能傳感器的定義，即 “除產(chǎn)生一個(gè)被測(cè)量或被控量的正確表示之外，還同時(shí)具有簡(jiǎn)化換能器的綜合信息以用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的功能的傳感器”。 11.1.1 智能傳感器的功能 先看一個(gè)智能傳感器的例子，圖11-1所

2、示為智能紅外線測(cè)溫儀原理框圖。 目目 標(biāo)標(biāo) 紅紅 外外 傳傳 感感 器器 溫溫 度度 傳傳 感感 器器 A/D 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 換換 器器 單單 片片 機(jī)機(jī) 顯示儀表顯示儀表 記錄儀表記錄儀表 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 RS-232接口接口 微微 型型 計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī) A/D 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 換換 器器 圖圖11-1 智能紅外線測(cè)溫儀原理框圖智能紅外線測(cè)溫儀原理框圖 環(huán)環(huán)境境 紅外傳感器將被檢測(cè)目標(biāo)的溫度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)AD變換后輸入單片機(jī)。 溫度傳感器將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)AD變換后輸入單片機(jī)。 單片機(jī)中存放有紅外傳感器的非線性校正數(shù)據(jù)。 紅外傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)計(jì)算處理，消除非線性誤差后，可獲得被測(cè)目標(biāo)的溫度特

3、性與環(huán)境溫度的關(guān)系。 供記錄、顯示、存儲(chǔ)備用。 可見(jiàn)，智能傳感器是具備了記憶、分析和思考能力，輸出期望值的傳感器。 （1）能提供更全面、更真實(shí)的信息，消除異常值、例外值。 （2）具有信號(hào)處理包括溫度補(bǔ)償、線性化等功能。 （3）隨機(jī)調(diào)整和自適應(yīng)。 （4）一定程度的存儲(chǔ)、識(shí)別和自診斷。 （5）含有特定算法并可根據(jù)需要改變算法。 這種傳感器不僅在物理層面上檢測(cè)信號(hào)，而且在邏輯層面上對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)和通信。 相當(dāng)于具備了人類的記憶、分析、思考和交流的能力，即具備了人類的智能。 所以稱之為智能傳感器。 11.1.2 智能傳感器的層次結(jié)構(gòu)智能傳感器的層次結(jié)構(gòu) 人類的智能是怎么構(gòu)成的呢？ 人類的智

4、能是基于即時(shí)獲得的信息和原先掌握的知識(shí)。 人類的智能是實(shí)現(xiàn)了多重傳感信息的融合并且把它與人類積累的知識(shí)結(jié)合了起來(lái)，如圖11-2所示。 大腦大腦 積累的積累的 知識(shí)知識(shí) 判斷判斷 人的大腦歸納人的大腦歸納 皮膚皮膚 傳感傳感 耳朵耳朵 傳感傳感 鼻子鼻子 傳感傳感 眼睛眼睛 傳感傳感 圖圖11-2 人類智能的構(gòu)成人類智能的構(gòu)成 智能傳感器也應(yīng)該由多重傳感器或不同類型傳感器從外部目標(biāo)以分布和并行的方式收集信息； 通過(guò)信號(hào)處理過(guò)程把多重傳感器的輸出或不同類型傳感器的輸出結(jié)合起來(lái)或集成在一起，實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)融合或集成； 最后，根據(jù)先前擁有的關(guān)于被測(cè)目標(biāo)的有關(guān)知識(shí)，進(jìn)行最高級(jí)的智能信息處理過(guò)程。 將信息

5、轉(zhuǎn)換為知識(shí)和概念提供使用。 理想智能傳感器的層次結(jié)構(gòu)應(yīng)是三層： 1底層，分布并行傳感過(guò)程，實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)的收集。 2中間層，將收集到的信號(hào)融合或集成，實(shí)現(xiàn)信息處理。 3頂層，中央集中抽象過(guò)程，實(shí)現(xiàn)融合或集成后的信息的知識(shí)處理。 11.1.3 智能傳感器的實(shí)現(xiàn)智能傳感器的實(shí)現(xiàn) 實(shí)現(xiàn)傳感器智能化，讓傳感器具備理想智能傳感器的層次結(jié)構(gòu)，讓傳感器具備記憶、分析和思考能力。 就目前發(fā)展?fàn)顩r看，有3條不同的途徑： （1）利用計(jì)算機(jī)合成（智能合成）； （2）利用特殊功能的材料（智能材料）； （3）利用功能化幾何結(jié)構(gòu)（智能結(jié)構(gòu)）； 11.2 計(jì)算型智能傳感器計(jì)算型智能傳感器 11.2 計(jì)算型智能傳感器計(jì)算型智能

6、傳感器 11.2.1 計(jì)算型智能傳感器構(gòu)成方式計(jì)算型智能傳感器構(gòu)成方式 計(jì)算型智能傳感器最常見(jiàn)，其底層、中間層和頂層分別由基本傳感器、信號(hào)處理電路和微處理器構(gòu)成。 它們可以集成在一起，形成一個(gè)整體，封裝在一個(gè)殼體內(nèi)，稱為集成化方式。 也可以互相遠(yuǎn)離，分開(kāi)放置在不同的位置或區(qū)域，稱為非集成化方式。 介于兩種方式之間的混合集成化方式。 1非集成化方式 非集成化傳感器是把基本傳感器、信號(hào)處理電路和帶數(shù)字總線接口的微處理器相隔一定距離組合在一起，構(gòu)成智能傳感器系統(tǒng)。 此類智能傳感器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式方便快捷，熟悉自動(dòng)化儀表與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的人都能入手。 目前國(guó)內(nèi)外已有不少此類產(chǎn)品。 2集成化方式 集成化方式

7、是采用微型計(jì)算機(jī)技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝，把傳感元件、信號(hào)處理電路、微處理器集成在一個(gè)硅材料芯片上制成獨(dú)立的智能傳感器功能塊。 作為商品已有多種集成化智能傳感器，如單片智能壓力傳感器和智能溫度傳感器等。 3混合集成方式 混合集成方式是將智能傳感器的傳感元件、信號(hào)處理電路、微處理器等各個(gè)部分以不同的組合方式分別集成在幾個(gè)芯片上。 然后封裝在同一個(gè)外殼里。 11.2.2 計(jì)算型智能傳感器基本結(jié)構(gòu)計(jì)算型智能傳感器基本結(jié)構(gòu) 計(jì)算型智能傳感器通常表現(xiàn)為并行的多個(gè)基本傳感器（也可以是一個(gè)）與期望的數(shù)字信號(hào)處理硬件結(jié)合的傳感功能組件，如圖113所示。 期望的數(shù)字信號(hào)處理硬件安裝有專用程序，可以有效的改善測(cè)量

8、質(zhì)量，增加準(zhǔn)確性，可以為傳感器加入診斷功能和其它形式的智能。 傳感器傳感器1 傳感器傳感器2 傳感器傳感器3 模模 數(shù)數(shù) 變變 換換 數(shù)字?jǐn)?shù)字 信號(hào)信號(hào) 處理處理 硬件硬件 電源電源 數(shù)數(shù) 模模 變變 換換 輸出輸出 圖圖11-3 計(jì)算型智能傳感器基本結(jié)構(gòu)圖計(jì)算型智能傳感器基本結(jié)構(gòu)圖 現(xiàn)今已有硅芯片等多種半導(dǎo)體和計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理硬件的開(kāi)發(fā)。 典型的數(shù)字信號(hào)處理硬件有如下幾種： 1.微控制器MCU（Microcontroller Units） 微控制器MCU實(shí)際上是專用的單片機(jī)。其包括微處理器、ROM和RAM存儲(chǔ)器、時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器和片內(nèi)輸入輸出端口I/O等。其結(jié)構(gòu)如圖11-4所示。

9、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器 I/O接口接口 中央處理器單元（中央處理器單元（CPU） 時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器 晶振晶振 數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)總總線線 地地址址總總線線 數(shù)數(shù)字字輸輸入入 數(shù)數(shù)字字輸輸出出 置置位位 電電源源 接地接地 圖圖11-4 微控制器微控制器MCU結(jié)構(gòu)框圖結(jié)構(gòu)框圖 微控制器MCU為智能傳感器提供了靈活、快速、省時(shí)地實(shí)現(xiàn)一體控制的捷徑。 MCU編程較容易，邏輯運(yùn)算能力強(qiáng)，可與各種不同類型的外設(shè)連接，這為MCU增加了設(shè)計(jì)中的選擇能力。 此外，大批量的硅芯片集成生產(chǎn)能力可使系統(tǒng)獲得更低成本、更高質(zhì)量和更高的可靠性。 2.數(shù)字信號(hào)處理器DSP（digital signa

10、ol processor） DSP比一般單片機(jī)或MCU運(yùn)算速度快，可供實(shí)時(shí)信號(hào)處理用。 典型的DSP可在不到100ns（10-9秒）的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行數(shù)條指令。這種能力使其可獲得最高達(dá)20MIPS（百萬(wàn)條指令每秒）的運(yùn)行速度，是通常MCU的1020倍。 DSP經(jīng)常以MOPS（百萬(wàn)次操作每秒）的速度工作，MOPS的速度要高于MIPS數(shù)倍以上。 以專用16位DSP（DSP56L811）為例，有如以下特點(diǎn)： （1）可在2.73.6V電壓范圍內(nèi)工作，40MHz時(shí)鐘頻率、20MOPS操作速度; （2）單循環(huán)、多重累加位移計(jì)算方式； （3）16位指令和16位數(shù)據(jù)字長(zhǎng)； （4）兩個(gè)36位累加器； （5）三個(gè)串行I

11、/O口； （6）16位并行I/O口，兩個(gè)外部中斷； （7）40MHz時(shí)鐘頻率下，功率損耗為120mW。 例如，汽車的接近障礙探測(cè)系統(tǒng)和減噪系統(tǒng)就使用了DSP與傳感器的結(jié)合； 檢查電機(jī)框架上螺栓孔傾斜度的智能傳感器就是用DSP代替原先的一臺(tái)主計(jì)算機(jī)，速度由原來(lái)的一分鐘檢查一個(gè)孔，提高到一分鐘檢查100個(gè)孔， 用來(lái)處理傳感器信號(hào)的DSP設(shè)計(jì)工具只有一張名片大。 3. 專用集成電路ASIC（application-specific integrated circuits） ASIC技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，將可編程邏輯裝置（PLD）用于小于5000只邏輯門的低密度集成電路上，設(shè)計(jì)成可編程的低、中密度

12、集成的用戶電路，作為數(shù)字信號(hào)處理硬件使用。 具有相對(duì)低的成本和更短的更新周期。用戶電路上附加的邏輯功能可以實(shí)現(xiàn)某些特殊傳感要求的尋址。 混合信號(hào)的ASIC則可同時(shí)用于模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)處理。 4.場(chǎng)編程邏輯門陣列FPGA（field-prorammable gate arrays） 場(chǎng)編程邏輯門陣列FPGA以標(biāo)準(zhǔn)單元用于中密度（小于100000只邏輯門）高端電路，設(shè)計(jì)成可編程的高密度集成的用戶電路，作為數(shù)字信號(hào)處理硬件使用。 FPGA和用于模擬量處理的同系列裝置場(chǎng)編程模擬陣列FPAA作為傳感器接口具有特殊的吸引力。 它們具有很強(qiáng)的計(jì)算能力，它們能減小開(kāi)發(fā)周期，在投入使用后還可以再次重新設(shè)計(jì)信號(hào)

13、處理程序，調(diào)整傳感功能。 5.微型計(jì)算機(jī) 當(dāng)然，期望的數(shù)字信號(hào)處理硬件也可以用微型計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 這樣組合成的計(jì)算型智能傳感器就不是一個(gè)集成單片傳感功能裝置，而是一個(gè)智能傳感器系統(tǒng)了。 今后，計(jì)算型智能傳感器還將進(jìn)一步利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能、多重信息融合等技術(shù)，從而具備分析、判斷、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)能力，完成圖像識(shí)別、特征檢測(cè)和多維檢測(cè)等更為復(fù)雜的任務(wù)。 11.3 特殊材料型智能傳感器特殊材料型智能傳感器 11.3 特殊材料型智能傳感器特殊材料型智能傳感器 特殊材料型智能傳感器利用了特殊功能材料對(duì)傳感信號(hào)的選擇性能。 例如，在生物傳感器一節(jié)中曾提到過(guò)酶和微生物對(duì)特殊物質(zhì)具有高選擇性，有時(shí)甚至能

14、辨別出一個(gè)特殊分子。 另一種化學(xué)智能傳感器是用具有不同特性和非完全選擇性的多重傳感器組成。 例如“電子鼻”的嗅覺(jué)系統(tǒng) 目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有幾種對(duì)有機(jī)或無(wú)機(jī)氣體具有不同敏感性或傳導(dǎo)性的材料，都已經(jīng)或者正在獲得應(yīng)用。 11.4 幾何結(jié)構(gòu)型智能傳感器幾何結(jié)構(gòu)型智能傳感器 11.4 幾何結(jié)構(gòu)型智能傳感器幾何結(jié)構(gòu)型智能傳感器 幾何結(jié)構(gòu)型智能傳感器的信號(hào)處理是以傳感器本身的幾何或機(jī)械結(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)的，這使得信號(hào)處理可以大大簡(jiǎn)化，響應(yīng)很迅速。 前面所述的凸透鏡和凹透鏡就是一個(gè)幾何結(jié)構(gòu)型光智能傳感器的例子。 幾何結(jié)構(gòu)型智能傳感器的最重要特點(diǎn)是： 傳感器和信號(hào)處理、傳感和執(zhí)行、信號(hào)處理和信號(hào)傳輸?shù)榷嘀毓δ艿暮铣伞?11

15、.5 智能傳感器實(shí)例智能傳感器實(shí)例 11.5 智能傳感器實(shí)例智能傳感器實(shí)例 11.5.1 智能壓力傳感器智能壓力傳感器 智能壓力傳感器是計(jì)算型智能傳感器，它由主傳感器、輔助傳感器、微機(jī)硬件系統(tǒng)（數(shù)字信號(hào)處理器）三部分構(gòu)成。 如圖115所示。 主傳感器為壓力傳感器，由它來(lái)測(cè)量被測(cè)壓力參數(shù)。輔助傳感器為溫度傳感器和環(huán)境壓力傳感器。 微機(jī)硬件系統(tǒng)（數(shù)字信號(hào)處理器），用于對(duì)傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大、處理、存儲(chǔ)和與計(jì)算機(jī)通信。 圖圖115 智能壓力傳感器構(gòu)成框圖智能壓力傳感器構(gòu)成框圖 11.5.2 氣象參數(shù)測(cè)試儀氣象參數(shù)測(cè)試儀 氣象參數(shù)測(cè)試儀也是一臺(tái)計(jì)算型智能傳感器，其結(jié)構(gòu)組成如圖11-6所示。 （

16、1）實(shí)現(xiàn)風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓的傳感器信號(hào)采集； （2）對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理、顯示； （3）實(shí)現(xiàn)與微型計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信，傳送儀器的工作狀態(tài)、氣象參數(shù)數(shù)據(jù)。 風(fēng)向傳感器風(fēng)向傳感器 風(fēng)速傳感器風(fēng)速傳感器 溫濕傳感器溫濕傳感器1 溫濕傳感器溫濕傳感器N 擴(kuò)展數(shù)字接口擴(kuò)展數(shù)字接口 氣壓傳感器氣壓傳感器 擴(kuò)展模擬接口擴(kuò)展模擬接口 數(shù)字?jǐn)?shù)字 信號(hào)信號(hào) 處理處理 接口接口 電路電路 模擬信號(hào)模擬信號(hào) 處理處理 接口電路接口電路 單片機(jī)單片機(jī) 89C52 LCD 液晶液晶 顯示顯示 看門狗看門狗 電路電路 上上 位位 機(jī)機(jī) 按鍵接口電路按鍵接口電路 RS-485 RS-232 圖圖11-6 氣象參數(shù)測(cè)試

17、儀結(jié)構(gòu)框圖氣象參數(shù)測(cè)試儀結(jié)構(gòu)框圖 11.5.3 汽車制動(dòng)性能檢測(cè)儀汽車制動(dòng)性能檢測(cè)儀 制動(dòng)性能的檢測(cè)有路試法和臺(tái)試法。 臺(tái)試法用得較多，它是通過(guò)在制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)汽車進(jìn)行制動(dòng)力的測(cè)量，并以車輪制動(dòng)力的大小和左右車輪制動(dòng)力的差值來(lái)綜合評(píng)價(jià)汽車的制動(dòng)性能。 汽車制動(dòng)性能檢測(cè)儀由左輪、右輪制動(dòng)力傳感器及數(shù)據(jù)采集、處理與輸出系統(tǒng)組成，其總體框圖如圖117所示。 左輪左輪 制動(dòng)力制動(dòng)力 傳感器傳感器 右輪右輪 制動(dòng)力制動(dòng)力 傳感器傳感器 鍵盤鍵盤 打印機(jī)打印機(jī) 信號(hào)信號(hào) 處理處理 模塊模塊 12位位 A/D 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 左輪左輪 滾筒滾筒 電機(jī)電機(jī) 右輪右輪 滾筒滾筒 電機(jī)電機(jī) 單片機(jī)單片機(jī) AT89C52

18、 微型計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī) 串行驅(qū)動(dòng)串行驅(qū)動(dòng) 耦合驅(qū)動(dòng)耦合驅(qū)動(dòng) 左輪力左輪力 右輪力右輪力 LCD顯示器顯示器 圖圖117 汽車制動(dòng)性能檢測(cè)儀總體框圖汽車制動(dòng)性能檢測(cè)儀總體框圖 11.5.4 輪速智能傳感器輪速智能傳感器 輪速智能傳感器的硬件結(jié)構(gòu)以單片機(jī)為核心，外部擴(kuò)展8KBRAM和8KBEPROM，外圍電路有信號(hào)處理電路、總線通信控制及總線接口等，如圖11-8所示。 輪速智能傳感器檢測(cè)到的輪子轉(zhuǎn)動(dòng)速度信號(hào)經(jīng)濾波、整形變換為脈沖數(shù)字信號(hào)后，由光電隔離耦合接到80C31單片機(jī)端口。 輪速和其它測(cè)控?cái)?shù)據(jù)由儀表盤上的儀器儀表顯示和使用。 輪速傳感器輪速傳感器 信號(hào)處理電路信號(hào)處理電路 光電隔離光電隔離

19、SJA1000 光光 電電 隔隔 離離 82C250 82C250 儀表盤智能儀表盤智能 測(cè)控節(jié)點(diǎn)測(cè)控節(jié)點(diǎn) 80 C31 單單 片片 機(jī)機(jī) 看門狗電路看門狗電路 8KBEPROM 8KBRAM CAN總線總線 車輪車輪 儀器儀器儀表儀表 圖圖11-8 輪速智能傳感器輪速智能傳感器 11.6 實(shí)訓(xùn)實(shí)訓(xùn) 11.6 實(shí)訓(xùn)實(shí)訓(xùn) 智能壓阻壓力傳感器，如圖119所示。其中作為主傳感器的壓阻壓力傳感器用于壓力測(cè)量，溫度傳感器用于測(cè)量環(huán)境溫度，以便進(jìn)行溫度誤差修正。 做印制電路板、裝配元件、編制單片機(jī)程序完成該智能壓阻壓力傳感器，并進(jìn)行性能測(cè)試。 壓力壓力 傳感器傳感器 溫度溫度 傳感器傳感器 放大器放大器 放大器放大器 多多 路路 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 換換 器器 單單 片片 機(jī)機(jī) 顯示器顯示器 擴(kuò)展擴(kuò)展 鍵盤鍵盤 A / D 圖圖119 智能壓阻壓力傳感器組成框圖智能壓阻壓力傳感器組成框圖