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火狐体育官网链接:智能传感技术

发布时间:2022-09-27 03:18:00 来源:火狐体育安卓版最新版 点击次数:40 作者:火狐体育官网链接

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  1、第14章 智能传感技术,14.1 智能传感器概述 14.2 智能传感器的关键技术 14.3 智能传感器系统的总线 智能传感器技术新发展,智能传感技术是涉及微机械电子技术、计算机技术、信号处理技术、传感技术与人工智能技术等多种学科的综合密集型技术,它能实现传统传感器所不能完成的功能。智能传感器是21世纪最具代表性的高新科技成果之一。 本章首先介绍智能传感器的基本概念、结构、主要功能及特点,然后阐述智能传感器的实现途径及智能传感器(包括实例)的总线标准,最后概述智能传感器的新技术与发展趋势。,引言,早期认识 人们简单地认为智能传感器是将“传感器与微处理器组装在同一块芯片上的装置”。

  2、后来定义 智能传感器是“将一个或多个敏感元件和信号处理器集成在同一块硅或砷化锌芯片上的装置”; 智能传感器是“一种带微处理机并具有检测、判断、信息处理、信息记忆、逻辑思维等功能的传感器”。,14.1.1 智能传感器概念,主要由传感器、微处理器(或微计算机)及相关电路组成,14.1.2 智能传感器的结构,图14-1 智能传感器基本结构框图,智能传感器比传统传感器在功能上有极大提高,几乎包括仪器仪表的全部功能,主要表现在: 逻辑判断、统计处理功能 自检、自诊断和自校准功能 软件组态功能 双向通信和标准化数字输出的功能 人机对话功能 信息存储与记忆功能,14.1.3 智能传感器的功能,间接传感是指利

  3、用一些容易测得的过程参数或物理参数,通过寻找这些过程参量或物理参数与难以直接检测的目标被测变量的关系,建立测量模型,采用各种计算方法,用软件实现待测变量的测量。 智能传感器间接传感核心在于建立传感模型。目前建立模型的方法: (1) 基于工艺机理的建模方法 (2) 基于数据驱动的建模方法 (3) 混合建模方法,14.2.1 间接传感,智能传感器具有通过软件对前端传感器进行非线性的自动校正功能,即能够实现传感器输入-输出的线 智能传感器线 智能传感器输入-输出特性线性化原理,智能传感器自诊断技术俗称“自检”,要求对智能

  4、传感器自身各部件,包括软件和硬件进行检测,如ROM、RAM、寄存器、插件、A/D及D/A转换电路及其它硬件资源等的自检验,以及验证传感器能否正常工作,并显示相关信息。 对传感器进行故障诊断主要以传感器的输出值为基础的,主要有: (1) 硬件冗余诊断法 (2) 基于数学模型的诊断法 (3) 基于信号处理的诊断法 (4) 基于人工智能的故障诊断法,14.2.3 自诊断,在智能传感器中,对传感器进行动态校正的方法多是用一个附加的校正环节与传感器相联(如图14-7),使合成的总传递函数达到理想或近乎理想(满足准确度要求)状态。,14.2.4 动态特性校正,图14-7 动态校正原理示意图,目前对传感器的

  5、特性进行提高的软件方法主要有: 将传感器的动态特性用低阶微分方程来表示; 按传感器的实际特性建立补偿环节。, 自校准 传感器的自校准采用各种技术手段来消除传感器的各种漂移,以保证测量的准确。自校准在一定程度上相当于每次测量前的重新定标,它可以消除传感器系统的温度漂移和时间漂移。 自适应量程 智能传感器的自适应量程,要综 合考虑被测量的数值范围,以及对测 量准确度、分辨率的要求诸因素来确 定增益(含衰减)档数的设定和确定切 换档的准则,这些都依具体问题而定。,14.2.5 自校准与自适应量程,图14-9 自适应量程电路,随着现代电子科学技术向高频、高速、高灵敏度、高安装密度、高集成度、高可靠性方

  6、面发展,电磁兼容性作为智能传感器的性能指标,受到越来越多的重视。 要求传感器在同一时空环境的其它电子设备相互兼容,既不受电磁干扰的影响,也不会对其它电子设备产生影响。 一般来说,抑制传感器电磁干扰可以从以下几个方面考虑: 一是削弱和减少噪声信号的能量; 二是破坏干扰的路径; 三是提高线路本身的抗干扰能力。,14.2.6 电磁兼容性,智能传感器标志之一是具有数字标准化数据通信接口,能与计算机直接或接口总线相连,相互交换信息。 结合到智能传感器总线技术的实际状况以及逐步实现标准化、规范化的趋势,本节按基于典型芯片级的总线、USB总线智能传感器接口标准来叙述智能传感器总线 智能传感器系统的总线-Wire总线-Wire总线采用一种特殊的总线协议,通过单条连接线解决了控制、通信和供电,具备电子标识、传感器、控制和存储等多种功能器件,提供传统的IC 封装、超小型CSP、不锈钢铠装iButtons等新型封装。 具有结构简单、成本低、节省I/O资源、便于总线扩展和维护等优点,适用于单个主机系统控制一个或多个从机设备,在分布式低速测控系统(约100kbit/s 以下的速率)中有着广泛应用。,14.3.1 基于典型芯片级的总线-Wire总线 基于典型芯片级的总线、ire总线 基于典型芯片级的总线,(a) 初始化时序图, 1-Wire总线 基于典型芯片级的总线-Wire总线 基于典型芯片级的总线-Wire总线 基于典型芯片级的总线-Wire总线 基于典型芯片级的总线C总线C(Inter-Integrated Circuit)总线年代推出的一种用于IC器件之间的二线制串行扩展总线,它可以有效地解决数字电路设计过程中所涉及到的许多接口问题。 I2C总线的特点主要表现在以下几个方面: 简化硬件设计,总线只需要两根线 器件地址的唯一性 允许有多个主I2C器件 多种通信速率模式 节点可带电接入或撤出(热插拔),14.3.1 基于典型芯片级的总线C总线C总线接口内部为双向传输电路,如图13-16所示。总线端口输出为开漏结构。,14.3.1 基于典型芯片级的总线所示。总线上传送的每一帧数据均为一个字节。发送时,首先

  10、发送的是数据的最高位。每次传送开始有起始信号,结束时有停止信号。在总线传送完一个字节后,可以通过对时钟线 基于典型芯片级的总线 总线上数据传递时序图, 基于I2C 接口的集成数字温度传感器LM75A 介绍一种具有 I2C 接口的集成数字温度传感器LM75A,它既可以作为温度测量装置使用,还可以作为温度控制装置使用。,14.3.1 基于典型芯片级的总线A数字温度传感器的功能框图, SMBus总线简介 SMBus(System Management Bus)最早由Intel公司于1995年发布,它以Philips公司的I2C总线、为基础,面向于不同系统组成芯片与系统其他部分间的通讯,与I2C类似。 随着其标准的不断完善与更新,SMBus已经广泛应用于IT产品之中,另外在智能仪器、仪表和工业测控领域也得到了越来越多的应用。,14.3.1 基于典型芯片级的总线, SMBus总线所示为典型的SMBus总线V直流电源、上拉电阻RP、由器件1(总线(自供电);数据线SMBDAT和时钟线SMBCLK(均为双向通信线 基于典型芯片级的总线 SMBus拓扑图, SMBus总线通信时序 当SCL为低电平时,SDA的状态可以在数据传输过程中不断改变;但当SC

  12、L为高电平时,SDA状态的改变就有了特定的意义。 一般而言,在数据传输过程中,如果接收到 NACK信号,就表示所寻址的从器件没有准备好或不在总线上。另外,SMBus总线可以工作在主、从两种方式,工作方式由SMBOSTA (状态寄存器)、SMBOCN (控制寄存器)、SMBOADR(地址寄存器)和 SMBODAT(数据寄存器)所决定。,14.3.1 基于典型芯片级的总线, 基于SMBus总线的多通道智能温度传感器MAX6697,14.3.1 基于典型芯片级的总线的内部结构框图, 基于SMBus总线的多通道智能温度传感器MAX6697,14.3.1 基于典型芯片级的总

  13、线的典型应用电路图, SPI总线简介 SPI(Serial Peripheral Interface)总线是Motorola公司推出的一种同步串行外设接口技术。SPI接口主要应用于CPU和各种外围器件之间进行通讯。 SPI总线的特点主要表现在以下几个方面: 高效的、全双工、同步的通信总线; 简单易用:只需要占用四根线,节约管脚,为PCB布局节省了空间; 可同时发出、接收串行数据; 可当作主机或从机工作,频率可编程; 具有写冲突保护、总线 基于典型芯片级的总线, SPI总线的连接结构 SPI总线可以同时发送和接收串行数据。它只需四条线、可以完成MCU与各种外围器件的通讯,这四条线是:串行时钟线(CSK)、主机输入/从机输出数据线(MISO)、主机输出/从机输入数据线(MOSI)、低电平有效从机选择线 基于典型芯片级的总线 SPI总线连接结构图, SPI总线 基于典型芯片级的总线 基于典型芯片级的总线构成的典型电路,USB是通用串行总线(Universal Serial Bus)的英文缩写。它不是一种新的总线标准,而是应用于PC领域的新型总线、。先后已经制订了USB1.0、USB1.1和USB 2.0等规范,USB 3.0规范的技术样本也已经公布。 USB总线如下的特点: 速度快 连接简单快捷 无须外接电源和低功耗 支持多连接 良好的兼容性,14.3.2 USB总线, USB的物理接口和电气特性 USB(2.0以下版本)的电气接口由4条线构成,用以传送信号和提供电源,如图14-27所示。,14.3.2 USB总线 USB电缆,USB主机或根集线器对设备提供的对地电源电压为4.75-5.25V,设备能吸入的最大电流值为500mA。USB设备的电源供给有自给方式(设备自带电源)和总线供给两种方式。, USB的系统组成和拓扑

  16、结构,14.3.2 USB总线 USB系统拓扑结构图,USB主机有以下功能:管理USB系统;每毫秒产生一帧数据;发送配置请求对USB设备进行配置操作;对总线上的错误进行管理和恢复。 USB外设在一个USB系统中,USB外设和集线个。 集线器用于设备扩展连接,所有USB外设都连接在USB Hub的端口上。, USB的传输方式 针对设备对系统资源需求的不同, 在USB规范中规定了4种不同的数据传输方式: 等时传输方式 中断传输方式 控制传输方式 批传输方式 在这些数据传输方式中,除等时传输方式外,其他3种方式在数据传输发生错误时,都会试图重新发送数据以保证其准确性

  18、dows系统中的USB类驱动程序,它使用UHCD.sys来访问通用的主控制器接口设备,或者使用OpenHCI.sys访问开放式主控制器接口设备;USBHUB.sys为根集线器和外部集线器的USB驱动程序。,14.3.2 USB总线, USB智能传感器 2005年日本欧姆龙公司推出带USB接口的激光型及电涡流型两种系列的传感器,多个传感器可以共用一个USB接口。 2006年4月日本山形大学展示出新研制的“USB转换器”,使用该装置,可将显示物质酸、碱性程度的“氢离子浓度(pH)”等测量传感器与USB接口连接起来。 日本Thanko公司2006年推出一款USB皮肤传感器,通过USB线、户可以用它查看悄然爬上额头的第一条细纹,或者检验去头屑香波是否线年安捷伦也推出Agilent U2000 系列基于USB的功率传感器。,14.3.2 USB总线 USB总线,智能传感器发展非常迅速,不同类型的智能传感器陆续推出。美国国家标准技术研究所NIST和IEEE仪器与测量协会的传感技术委员会联合组织制定了IEEE1451传感器与执行器的智能变换器接口标准的系列标准,成为当前智能传感器领域的研究热点之一。 IEEE 1451的特点在于: 基于传感器软件应用层的可移植性; 基于传感器应用的网络独立性; 传感器的互换性( 即插即用)。,14.3.3

  20、 IEEE1451智能传感器接口标准, IEEE1451概况 IEEE1451系列标准把数据获取、分布式传感与控制提升到了一个更高的层面,并为建立开放式系统铺平了道路。它通过一系列技术手段把传感器节点设计与网络实现分隔开来,这其中包括传感器自识别、自配置、远程自标定、长期自身文档维护、简化传感器升级维护以及增加系统与数据的可靠性等。 为了尽可能使智能功能接近实际测量和控制点,IEEE 1451将功能划分成网络适配处理器模块(Network Capable Application Processor,NCAP)和智能变换器接口模块(Smart Transducer Interface Modul

  22、蓝牙/802.11/802.15.4无线子标准),CAN总线使用的接口(IEEE P1451.6子标准,用于本质安全系统CANopen协议)、USB接口(IEEE P1451.7子标准,RFID系统通信协议)。,14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准,14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准,图14-31 IEEE1451系列标准工作关系图, IEEE 1451.0 子标准 IEEE 1451.0标准通过定义一个包含基本命令设置和通信协议中独立于NCAP到变换器模块接口的物理层,简化了不同物理层未来标准的制定程序,为不同的物理接口提供通用、简单的标

  23、准。IEEE 1451.0为IEEE 1451.X提供了如下通用功能: 热交换性能; 状态报告; 自检性能; 服务响应消息; 从传感器阵列采集信号的同步; 应用编程接口API; 变换器间操作的命令集; 变换器电子数据表单(TEDS)特性,14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准,图14-32 IEEE 1451.0智能变换器接口模块图,2. IEEE 1451.1 子标准 IEEE1451.1定义了智能变换器的对象模型,用面向对象语言对传感器的行为进行描述。通过这个模型,原始传感器数据借助标定数据来进行修正并产生一个标准化的输出。,14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准,图1

  25、 IEEE1451.1实例 展示了一个传感器和 执行器的NCAPs如何 处理污水治理系统的 例子 污水处理系统的功能分为 三个NCAPs,即水位控制、 pH值控制用简易的NCAPs 和操作系统的一个PC NCAP。,14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准,图14-38 污水处理系统实例,3. IEEE 1451.2 子标准 IEEE1451.2标准提供了将传感器和变换器连接到一个数字系统,尤其是到网络的方式。该标准通过提供标准的智能传感器接口模块(STIM)、STIM和NCAP间的接口(TII),统一网络化智能传感器基本结构。通过一个电子数据表格(TEDS),使传感器模块具有即插即用

  26、的兼容性。,14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准,图14-39 IEEE 1451.2标准的变换器接口的连接规范框架,3. IEEE 1451.2 子标准 智能变换器接口模块(STIM) 功能:主要是向NCAP传输数据和状态信息。 一个STIM能够支持单个或多个通道,它既可与传感器也可与执行器相联结,每一个STIM最多可与255个变换器通道相联结。 通常认为变换器是STIM的一部分,这是由于为了提供关键的自辨识特征(正常使用时变换器不能与STIM分开)。 从NCAP的角度来看,STIM可以看作是一个存储设备。,14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准,3. IEEE 145

  27、1.2 子标准 电子数据表格 (TEDS) TEDS是一个用电子格式写的数据表,表格存储了所有传感器通道对应的传感器类型、物理单位、数据模型、校正模型以及厂商ID等信息。 当NCAP读入一个STIM中TEDS数据时,NCAP可以知道与这个STIM通讯速度、通道数及每个通道上变换器的数据格式,并且知道所测量对象的物理单位和知道怎样将所得到的原始数据转换为国际标准的单位,完成传感器的即插即用。 协议定义了8种数据表格,并可以自由扩展。,14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准,3. IEEE 1451.2 子标准 变换器独立接口TII TII是IEEE1451.2协议定义的点对点数字接口,

  28、实现NCAP与STIM之间短距离同步数据传输,它通过10根按照SPI标准串行通讯方式的引脚连接在一起 信号线DIN、DOUT、DCLK和DIOE完成数据通信;NTRIG、NACK触发和应答信号;NINT信号用于STIM主动服务请求;NSDET用来检测STIM模块是否存在。,14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准,图14-40 TII接口信号线 子标准 变换器独立接口TII,14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准,3. IEEE 1451.2 子标准 国际标准单位的表示 IEEE 1451.2采用10位的二进制代码来描述变换器敏感或

  29、可执行的物理单位。 按照SI规定的7个基本物理量来表示所有被测物理量。 7个基本物理量为:长度(m)、质量(kg)、时间(s)、电流(A)、温度(K)、物质量(mol)和光强(cd)。,14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准,3. IEEE 1451.2 子标准 校准数学模型 IEEE1451定义了校正TEDS并存储于STIM中。NCAP获取校正TEDS,通过校正引擎实现传感器校正,体现了传感器“智能”的特点。,14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准,图14-41 智能网络化传感器校准器一般模型,3. IEEE 1451.2 子标准 校准数学模型 IEEE1451. 2规定

  30、的STIM中每个通道的校准函数可以用下面多项式函数式表示: 式中, 表示从传感器输出或向执行器输入的变量值; 、 、 分别表示输入变量的偏移值、输入变量的阶数和多项式每一项的系数,这些参数都存储在STIM的TEDS中。为了避免多项式的阶数过高,可以将曲线分成若干段(每段分别有变量多少、漂移值和系数数目等内容)。,14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准,4. IEEE 1451.3 子标准 IEEE1451.3标准,即分布式多点系统数字通信和变换器电子数据表格式(Digital Communication and Transducer Electronic Data Sheet(TED

  32、1.4 子标准 IEEE 1451.4标准,即混合模式通信协议和变换器电子数据表格式(Mixed-mode Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet(TEDS)Formats)。 标准主要致力于基于已有传统的模拟量变换器连接方法,提出一个混合模式智能变换器通信协议,混合模式接口支持模拟接口对现场仪器的测量和数字接口对TEDS的读写。使用紧凑的TEDS对模拟传感器的简单、低成本的连接,使传统型模拟传感器也能“即插即用”。 一个IEEE 1451.4的变换器包括一个变换器电子数据表格(TEDS)和一个混合模式的接口(M

  34、际上对一个传感器的TEDS进行配置可有两种形式,一种是TEDS驻留在嵌入式的EEPROM中;另一种是TEDS不放在传感器中,而以文档形式存放在本地计算机或能通过网络访问的数据库中,即虚拟TEDS,这样很多的传统模拟传感器无须内置EEPROM就能实现TEDS的功能。 要在TEDS中存储有意义的信息,必须精确定义TEDS中的每个bit,对所有的传感器,基本TEDS可按统一格式定义;但由于不同类的传感器要存储不同的参数,因此标准TEDS每bit的内容无法统一定义,而采用模板对一类传感器参数进行定义和描述。,14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准,5. IEEE 1451.4 子标准 混合模

  35、式接口(MMI) IEEE定义了两线的类接口、多线的类接口两类混合接口模式,混合模式接口的数字部分通信协议基于Dallas公司的单总线智能传感器接口标准,图14-44 类双线接口,类接口把模拟和数字两根信号线,按分时复用,主要用于恒流源供电的传感器(加速计、麦克风等),由测量系统通过信号线 子标准 混合模式接口(MMI) 类接口将数字和模拟信号分开连接,即在不改变传感器的模拟输入/输出的基础上平行的加入TEDS电路,这样使得很多不适合将模拟和数字信号共用一线的传感器可以使用TEDS,14.3.3 IEEE1451

  37、准和6LoWPAN标准。对于用户选择哪一种无线通信技术,还要考虑无线技术在耗电量、传输距离、数据传输速率及接收发送部件的成本等方面的因素。,14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准,6. IEEE 1451.5 子标准 IEEE1451.5标准定义了适用于各种无线通信技术的通用规范.,14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准,图14-46 IEEE 1451.5无线 子标准 NCAP将来自外部网络的命令发送到与WTIM相连的变送器,并在它们之间传送数据。一个NCAP可以通过无线方式连接多个WTIM,一个WTIM也可与多个变送器相连。,

  40、计算机技术的快速发展,智能传感器的“智能”含义不断深化,许多智能传感新模式陆续出现。这里介绍近年智能传感器其中两个研究热点嵌入式智能传感器和阵列式智能传感器。,14.4 智能传感器技术新发展,嵌入式智能传感器一般是指应用了嵌入式系统技术、智能理论和传感器技术,具备网络传输功能,并且集成了多样化外围功能的新型传感器系统。经典智能传感器一般是使用单片机再加上控制规则进行工作的,较少涉及智能理论(人工智能技术、神经网络技术和模糊技术等)。因此,基于嵌入式系统来应用智能理论的嵌入式智能传感器,具有更高智能化程度。,14.4.1 嵌入式智能传感器,图14-49 嵌入式智能传感器,智能模块通常由集成在嵌入

  41、式系统中的知识库、推理引擎、知识获取程序和综合数据库四部分组成。,一款应用于液态乙醇浓度在线检测的嵌入式智能传感器原理结构图,14.4.1 嵌入式智能传感器,STIM,NCAP,TII,图14-50 嵌入式智能传感器应用,阵列式智能传感器即为将多个传感器排布成若干行列的阵列结构,并行提取检测对象相关特征信息并进行处理的新型传感器系统。阵列中的每个传感器都能测量来自空间不同位置的输入信号并能提供给使用者以空间信息。,14.4.2 阵列式智能传感器,总体结构由三个层次组成: 第一层次为传感器组的阵列实现集成,称为多传感器阵列; 第二层次是将多传感器阵列和预处理模块阵列集成在一起,称为多传感器集成阵

  42、列; 第三层次是将多传感器阵列、预处理模块阵列和处理器全部集成在一起时,称为阵列式智能传感器。,图14-51 阵列式智能传感器总体结构,阵列式智能传感器的功能是由其中各个传感器的类型和特性决定的。根据集成的传感器组类型,其主要功能分类如表14-7所示。,14.4.2 阵列式智能传感器,表14-7 功能分类,美国IBM公司和TI公司联合设计有源反射镜的可变型微反射镜结构。此结构可补偿由工艺或温度变化引起的几何变形,从而成为一个智能微镜。其在通信工业、食品加工等部门,引用机械阵列式智能微镜来改善质量控制、工艺控制和产品设计具有极大的潜在优势,用途广泛,如光通信信号的高速路由选择、投影显示器等。,14.4.2 阵列式智能传感器,图14-52 有源微镜阵列,思考题 什么叫智能传感器?智能传感器具有哪些基本功能? 智能传感器中如何处理非线性问题? 智能传感器中如何进行自检? 为达到传感器的电磁兼容性要求,应从哪些方面提高传感器的自身抗干扰能力? 试分析智能传感器总线-Wire总线C总线的特点是什么? SPI总线的特点是什么? USB总线的特点是什么? 试分析智能传感技术的发展趋势。,参考资料,(插 图),

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