（信号与信息处理专业论文）旋转对称三角测量传感器嵌入式系统硬件设计与实现.pdf

旋转对称三角测量传感器嵌入式系统硬件设计与实现 摘要 激光三角测量在工业生产中有着广泛的应用。但由于传统激光三角传感器 对测量表面有一定的要求，对于一些测量表面会造成测量失败或者精度下降。 为此，依托两次中德合作p p p 项目，德国h e i l b r o n n 大学光学实验室和合肥工 业大学图像与信息处理研究室展开深入合作研制了具有旋转对称特性的智能激 光三角传感器。该传感器提高了传统三角测量传感器的测量精度和自动化程度， 未来在工业中将会有更广泛的应用。 本论文的研究工作是中德合作p p p 项目的重要内容，以提高系统的测量精 度和测量实时性为目的，研究了旋转对称三角测量系统的特点、设计了功能需 求、实现旋转对称三角测量传感器的嵌入式d s p 图像处理硬件平台。 本文的主要工作有： ( 1 ) 研究了旋转对称三角测量传感器的特点，讨论了主要嵌入式软件的特 点； ( 2 ) 重点分析了德州仪器的t m s 3 2 0 d m 6 4 3 处理器主要功能模块及其特点， 并据此指出该处理器合乎嵌入式平台要求； ( 3 ) 以此处理器平台为核心，分析嵌入式平台的功能需求，研究并设计出处 理平台的总体方案，设计各部分扩展电路； ( 4 ) 总体方案的具体实现，包括原理图，布线的要求注意事项，板卡的层叠 设计，布局等，以及作者的一些浅薄p c b 设计经验： ( 5 ) 嵌入式d s p 硬件平台的调试方法和技巧。 关键字：旋转对称激光三角传感器智能传感器d s p 硬件设计t m s 3 2 0 d m 6 4 3 h a r d w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ee m b e d d e d s y s t e mo fr o t a t i o n a l l ys y m m e t r i ct r i a n g u i a t i o ns e n s o r a b s t r a c t l a s e rt r i a n g u l a t i o ns e n s o ri sw i d e l yu s e di nal o to fa r e a so fi n d u s t r y b u tt h e r e a r es o m ei n h e r e n ts h o r t a g e sf o rt h et r a d i t i o n a ls e n s o r , b e c a u s eo ft h i s ，i ns o m e s p e c i a lc a s e ，t h ep r e c is i o no ft h es e n s o rw o u l db ed e g r a d e do rt h em e a s u r e m e n t w o u l db ef a i l e da ta 1 1 w i t ht h i sb a c k g r o u n do u rl a b ，i m a g ea n di n f o r m a t i o n p r o c e s s i n gl a bo fh e f e iu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y , c o o p e r a t ew i t ho p t i cl a bo f h e i l b r o n nu n i v e r s i t yt od e v e l o p m e n tan o v e lt r i a n g u l a t i o ns e n s o rw i t hr o t a t i o n a l s y m m e t r i c a lf e a t u r eb a s e do nt w op p pi n t e r n a t i o n a lc o o p e r a t i o np r o j e c t s t h e s e n s o ri m p r o v e st h et r a d i t i o n a lt r i a n g u l a t i o ns e n s o rm e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n d a u t o m a t i o n t h e r ew i l lb em o r ew i d e l yu s e di ni n d u s t r yi nt h ef u t u r e t h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h er e s e a r c hw o r ko ft h ep p pp r o je c t m a i nt a s ki st o d e s i g na n di m p l e m e n tt h ee m b e d d e dd s ph a r d w a r ep l a t f o r mo fr o t a t i o n a l l y s y m m e t r i ct r i a n g u l a t i o ns e n s o r , i no r d e rt oi m p r o v es y s t e mi n t e g r a t i o na n d p e r f o r m a n c et om e e tt h er e q u i r e m e n t so fh i g hp r e c i s i o n ，r e a l t i m ea n ds m a l ls i z e i n t h i sp a p e r ，t h em a i nj o bt h e r ei s ： ( 1 ) a n a l y s i sc h a r a c t e r i s t i c so fr o t a t i o n a l l ys y m m e t r i ct r i a n g u l a t i o ns e n s o r ，d i s c u s s t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so fe m b e d d e ds o f t w a r e ； ( 2 ) a n a l y s i sf e a t u r e so ft m s 3 2 0 d m 6 4 3p r o c e s s o r ，t h em a i nf u n c t i o nm o d u l e so n c h i p ； ( 3 ) b a s e o nt h ed s p ，r e s e a r c ha n dd e s i g nah a r d w a r ep l a t f o r mf o rt h es e n s o r ，a n d d e s i g nt h ee x p a n s i o no fc i r c u i t ； ( 4 ) i m p l e m e n tt h ed e s i g n ，i n c l u d i n gs c h e m a t i c ，l a y o u t ，w i r i n g ，a n dan u m b e ro f p c bd e s i g ne x p e r i e n c e ； ( 5 ) d e b u ge m b e d d e dd s ph a r d w a r ep l a t f o r m k e yw o r d s ：r o t a t i o n a ls y m m e t r i c a ll a s e rt r i a n g u l a t i o ns e n s o r ，i n t e l l i g e n ts e n s o r ， d s ph a r d w a r ed e s i g n ，t m s 3 2 0 d m 6 4 3 插图清单 图1 1 激光三角传感器基本工作原理4 图2 1 激光三角测量法原理框图1 2 图2 2 传统激光三角传感器的检测缺陷13 图2 3 旋转对称传感器的光学设计原理1 3 图2 4 旋转对称激光三角传感器1 4 图2 5 传感器圆环截图及其细部特征15 图2 6 嵌入式系统的示意图15 图2 7t i 推荐的d s p 软件框架16 图2 8 建立在d s p b i o s 之上的系统软件组成1 6 图3 1t m s 3 2 0 d m 6 4 3 片上设备结构图2 0 图3 2 外部存储器扩展接口结构和主要信号2 1 图3 3 通用输入输出接口结构和主要信号2 2 图3 4 以太网模块结构和主要信号2 2 图3 5 视频接口结构和主要信号2 3 图3 6 主机端口接口结构和主要信号2 3 图3 - 7 嵌入式图像处理平台模块2 4 图3 8h y 5 7 v 2 8 3 2 2 0 ( l ) t ( p ) 7 主要信号2 6 图3 9a m 2 9 l v 8 0 0 b 7 0 e c 主要信号2 6 图3 1 0 自加载系统运行原理( 来源于陈果毕业论文) 2 8 图3 1 1 自加载系统的运行流程( 来源于陈果毕业论文) 2 9 图3 - 1 2m t 9 t 0 0 l p l 2 s t c 的功能模块图3 0 图3 - 13c m o s 颜色敏感颗粒分布3 0 图3 14b a y e r 模式色彩分布3 0 图4 1l t17 6 7 管脚定义3 3 图4 21 4 v 电源电路3 3 图4 3 电源电路的推荐p c b 布线3 4 图4 4t p s 3 8 2 3 管脚信号和连接图3 4 图4 5d m 6 4 3 的内部p l l 模块3 7 图4 6c y 2 2 381 时钟电路原理图3 7 图4 7h y 5 7 v 2 8 3 2 2 0 ( l ) t ( p ) 7 和d m 6 4 3 连接示意图3 8 图4 8f l a s h 与d m 6 4 3 连接示意图41 图4 9d s p 内嵌的e m a c 与m d i o 与以太网物理层的主要信号4 8 图4 1 0l x t 9 7 1 a 、h 1 1 0 2 变压器与r j 4 5 和以太网p h y 芯片的信号4 9 图4 - 1 1m t 9 t 0 0 1 与t m $ 3 2 0 d m 6 4 3 的连接示意图4 9 图4 12 板卡的层叠结构5 2 图4 13d s p 处理平台正面5 2 图4 - 14d s p 处理平台反面5 3 图5 - 1 安装好后资源管理器中增加s e e d x d s u s b 2 0 仿真器设备5 5 图5 2 安装c o d ec o m p o s e rs t u d i o2 2 的画面5 5 图5 3j t a g 引脚定义5 6 图5 - 4 调试s d r a m 时出现的错误截图5 6 表格清单 表4 1d s p 内部时钟倍频电路设置3 8 表4 2c 6 4 x 存储器的内存寻址范围和地址线数量4 l 表4 3 大小端与字节分配4 1 表4 4e m i f 配置寄存器4 2 表4 5g b l c t l 字段分配4 2 表4 6c e c t l 0 3 各字段分配4 3 表4 7c e s e c 0 3 各字段分配4 5 表4 8s d c t l 各控制字段分配4 5 表4 9s d c t l 各控制字段分配4 6 表4 1 0s d e x t 各控制字段分配4 7 表4 11p d t c t l 控制字段分配4 7 表4 1 2 多层板层叠结构参考表。5 1 表5 1 电源系统性能5 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 盒肥王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字：凌虎签字日期：2 0 0 9 年4 月1 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金起王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金胆王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：凌虎 签字日期：2 0 0 9 年4 月1 0 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：胡良梅 签字日期：2 0 0 9 年4 月1 0 日 电话： 邮编： 致谢 时光荏苒，两年半的研究生生活很快就要结束了。回忆过去，就像放电影 般，件件事情，历历在目。研一开心而丰富的聚会，研二为解决一个问题和胡 翊通宵做实验，九百个日日夜夜，我今天可以说过的充实，身为图像室的 一员，我很自豪。 在进实验室前，我就想成为高隽老师的学生，成为图像室一员。这几年， 回想我当时的选择是多么的正确。我要感谢高老师，他带领实验室成员营造了 良好的科研学习环境，能在这样的环境里学习是多么幸福的事啊。两年多年来， 高老师给我创造了许多锻炼的机会，在我遇到困难时，给予了我无私的帮助和 指导。除了高老师，我的导师胡良梅副教授在学术和科研给了我更多具体而明 确的指导，我很感激。在我所作参与的项目中，负责人张旭东老师给予了我极 大的帮助、支持和理解，在我做项目遇到困难时，张老师亲自动手调试，困难 很快解决，我有拨云见日之感。“大恩不言谢”，高老师、胡老师、张老师的恩 情铭记于心。 “对我来说三年来最大的收获不是学到了多少知识，而是让我学会了坚持 和忍耐。在项目中遇到困难时要坚持，在没有项目时更要坚持学习，耐心等待 属于自己的机会。”这是陈果师兄在他论文里的话，这句话指导我如何学习和 坚持自己的目标。我感谢陈果师兄的指导。我会按照上述格言做事，一旦目标 确定，将不懈追求，不轻言放弃。除了陈师兄，我还要感谢如下老师、同学： 徐小红老师、孙永宣老师、谢昭老师、张仁斌老师、胡静、王晓嘉、王磊、伯 梅、 ( 大) 杨静、邵静、张武昕、卢鹏、赵莹、钱乐乐、( 小) 杨静、苏菱、 程晨、崔帅、黄帅、林金金、李洋、潘登凯、曲贺南、石伟玉、苏菱、万姝伊、 吴良海、张骏、周琼、丁津津、范宁生、纪松、洪艳、宋皓、王苗欣、徐飞、 杨姜伟、杨晶晶、杨胜利、张利利、朱士蓉，感谢你们对我的关心和爱护。 我们图像九连环的成员：冯文刚、叶之金、胡翊、张翼、任溯、薛艳、范 瑾瑾、吴克伟，和你们在一起的日日夜夜很开心，谢谢你们对我的照顾和关爱。 赵莹师姐，你像姐姐一样的关心我，潜移默化的教我如何去关心爱护身边 的人，谢谢你。 爸爸妈妈，你们辛苦了，把儿教养成人不容易，感谢你们的支持和无私大 爱，我将不辜负你们对我的期望。 再次感谢所有老师、同学、亲人、朋友和关心支持我的入，祝你们身体健 康，生活美满幸福! 作者：凌虎 2 0 0 9 年3 月 第一章绪论 1 1 论文研究的内容和背景 现代工业的发展程度是一个国家综合实力的重要体现，随着工业的发展， 工业产品的物理、几何特征越来越精细，如几何尺寸、表面平整度、摩擦系数、 表面曲率等，要求越来越高，对产品的检测技术要求也就越来越高。以上这些 量值的获得可以由工业中使用的位移检测技术来获得。所谓位移传感器，即传 感器用于测量传感器到待测物体测量点间的精确距离。目前工业上使用的位移 传感器分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声 波式位移传感器，霍尔式位移传感器及激光三角测量位移传感器。这些传感器 主要工作原理就是寻找与自然信息具有相对应关系的、有种种表现形式的信号， 以及确定二者间的定性、定量关系；从反映某一信息的多种信号表现中挑选出 对所处条件下最为合适的表现形式，以及寻求最佳的检出、变换、传输、处理、 存贮、显示等的方法和相应的设备【1 1 。 在现代工业领域中使用的位移传感器技术所涉及的科学领域十分广泛，包 括检测技术、精密仪器技术、电磁技术、激光技术、图像处理技术、机器视觉 技术、计算机技术、传感器技术等等。所以位移传感器是各个学科交叉融合的 结果。这些技术的深入发展使用也推动智能传感器不断发展，目前将传统的工 业传感器信息化，智能化是工业自动化的研究方向。 本论文的研究工作依托中德合作p p p 项目“r o t a t i o n a ls y m m e t r i cd i s t a n c e s e n s o rw i t ho p t i c a lf r e e f o r mm i r r o rs u r f a c ef o ra p p l i c a t i o ni ni n d u s t r i a lq u a l i t y a s s u r a n c e ( 2 0 0 5 - 2 0 0 6 ) 和“a u g m e n t e do p t i c a ld i s t a n c em e a s u r e m e n ts y s t e mb y i n t e g r a t e dv i s i o nc a p a b i l i t y ”( 2 0 0 7 ) 。在这两个项目的研究中，本实验室的数位 已经毕业的研究生对旋转对称传感器系统的理论和嵌入式小型化做了大量的研 究工作，包括该旋转对称传感器( r t s ) 误差因素研究，位移测量不确定度极限研 究，基于集成视觉系统的三维信息获取、特征指导的快速高分辨率信息获取、 传感器标定方法研究、传感器信号处理方法研究、物面特性对传感器信号处理 的影响等研究工作，并研制出了基于p c 的实验系统。上述研究工作完成了测 量系统的理论验证，验证了测量系统的抗遮挡性、高精度、鲁棒性，通过实验 获得了测量系统的一系列参数和数据，及嵌入式构架的设想等工作。 目前项目的研究工作是在上述成果上展开的，研究内容是设计一高速专用 图像处理平台，将传感器的控制、数据采集和处理集成在这一平台之上。利用 专用d s p 的强大处理能力提高测量系统的测量精度和测量的实时性，提高传感 器的实用性，最终的目标是开发出一种智能的旋转对称激光三角传感器。 1 2 研究领域及其相关进展 1 2 1 位移测量技术简介 测量是将被测量与标准量进行比较的过程。距离的测量即为长度的测量， 常用的长度测量的标准量有：光波波长，量块的长度，光栅、容栅的栅距，磁 栅的节距，感应同步器的线距，线纹尺的刻度间距以及精密丝杠的螺距等。常 用的长度测量方法，按照直接测量的量与需要测量的量之间的关系，可以分为： ( 1 ) 直接测量 直接测量是将被测量与标准量进行比较，从而直接获得所需测量的值。直 接测量方法简便，但对于被测物体的形状要求比较严格，定位调整比较复杂。 直接测量还可分为绝对测量和相对测量。绝对测量法测量时，仪器示值为被测 量的绝对值。用于绝对测量的测量器具常以刻度尺、光栅尺、激光等作为测量 基准，一般具有绝对零位，示值范围较大，有几十至几百毫米，大的可达数米 甚至数十米。常用的绝对测量器具有：游标卡尺、千分尺、光学测长仪、激光 干涉测长仪、双频激光干涉仪、测长机以及万能工具显微镜等。相对测量法测 量时，仪器示值为被测量相对于某一定值标准量的偏差值。相对测量的仪器多 称作测微以或比较仪，一般具有放大倍数大，示值范围小，测量精度高，零位 可调等特点。为了减小测量误差，标准件应尽可能与被测工具有相同的材料及 形状，标准量也应尽可能与被测量有相同的定义及公称值。常用的相对测量仪 器有：杠杆千分表、扭簧式比较仪、光学比较仪、接触式干涉仪以及一些采用 电感、电容、气压、光强等测微位移原理的比较测量仪器。 ( 2 ) 间接测量 间接测量方法是测量与被测量有函数关系的几个量，并通过函数计算出被 测量的值。间接测量有利于提高检测能力，也有利于提高检测精度，一般定位 调整较容易，但数据处理较复杂。以前，间接测量主要用于测量直接测量无法 测得的参量或直接测量达不到精度要求的场合，但随着计算机应用以及数据自 动处理系统的普及，间接测量的采样读数及数据处理工作大大简化，对于复杂 形状、大尺寸与微小尺寸的测量的精度与速度也在不断提高，应用也越来越广 泛。常用的间接测量法有坐标测量法、弓高弦长法、滚子法、激光衍射法、激 光能量法等。 l 。2 2 非接触位移传感器简介 距离作为非电量，对其的检测，需要利用各类传感器的物理特性，将长度 与位移这类非电量，转换成电量进行测量。常用的非接触测距传感器按其电量 转换原理不同，有以下几大类 2 , 3 1 ： ( 1 ) 电磁感应位移传感器，主要有三种类型：电感式传感器、电涡流式传 感器、霍尔式传感器。例如m i c r o e p s i l o n ( 米铱) 公司的v i ps e i l g o r 系列传感器被 2 安装在不同品牌的现代化家用洗衣机内，监测滚筒运转状况；另外还安装在汽 车引擎中监测气缸中活塞的位置变化。电感变压式传感器适用各种机械设备及 自动化生产线，具有极高的稳定性和抗干扰能力。 ( 2 ) 电感式传感器利用铁芯随被测量移动，改变了磁路磁阻，从而引起线 圈电感量的变化，然后通过测量电路将电感量变化转换成与位移成比例的电量 变化，实现了非电量的电量转换。电感式位移传感器主要采用接触式测量方式， 不适宜高频动态测量。 ( 3 ) 电涡流测距传感器利用电涡流效应进行非电量的电量转换，即在线圈 产生的交变磁场范围内放置一个导体，导体内产生电涡流，并将生成一个反向 的新磁场，从而削弱原磁场，导致线圈的电感量、阻抗和品质因数的改变，当 测量线圈与被测导体间距发生变化，导体产生的磁场对线圈的影响也会发生变 化，从而可以由线圈参数变化量，获得被测导体位移量。电涡流传感器的结构 简单，灵敏度高，频响范围宽，采用非接触式测量方式，不受油污等介质的影 响，使用范围广，但被测物体必须为导体。这几种传感器属于超高精度传感器， 精度通常可以达到纳米级。 ( 4 ) 电容式传感器，电容式位移传感器的测量建立在理想化平板式电容原 理的基础上，因此对所有导电材料无需特别的线性校准，即可得到高精度的 测量结果。通过线性校准后，也可用于对半导体和绝缘体材料的测量。例如米 铱公司的c a p a n c d t 系列传感器就是高精度电容型位移传感器。这种传感器也 属于超高精度的，通常可以达到纳米级。 ( 5 ) 基于飞行时间的传感器。这种传感器主要有超声波测距传感器、微波 和无线电波测距传感器、以及激光测距。测量时，都是通过测量波发射到被物 体反射回来所需时间间隔来计算物体的位置。与前几种传感器不同的是，这种 传感器主要用于长距离的测量。这种传感器属于大量程，低精度，通常精度可 以达到厘米或米级。 ( 6 ) 光栅尺。光栅尺是目前较精确的一种测量工具。在高精度的数控机床 上，目前大量使用光栅作为反馈检测元件。光栅与前面讲的旋转变压器、感应 同步器不同，它不是依靠电磁学原理进行工作的，不需要激磁电压，而是利用 光学原理进行工作，因而不需要复杂的电子系统。常见的光栅从形状上可分为 圆光栅和长光栅。圆光栅用于角位移的检测，长光栅用于直线位移的检测。光 栅的检测精度较高，可达1 u m 以上。 ( 7 ) 激光三角位移传感器。上世纪8 0 年代末9 0 年代初，人们开始将激 光与三角测量原理相结合，做成了可以进行非接触位置、位移测量的精密传感 器，激光三角测距传感器。由于三角测距法的原理较为成熟，实现方式简单， 而激光测距作为光电检测中的一种非接触式测量，具有测量速度快、精度高、 抗干扰能力强、测量点小、适用范围广等优点，因此被广泛应用于工业生产现 3 场，用于几何量的非接触式在线测量。这种传感器的精度比超高精度位移传感 器稍低，通常在零点几微米到几十微米之间，如图1 1 所示，该图是三角测量 的原理图。 弋rt 冀c , i j 懒避传露各 蕈最避 量，) c x ” 刁7 册 ，刀哆而 图1 1 激光三角传感器基本工作原理 1 2 3 智能传感器 智能传感器t 4 , s l ( s m a r ts e n s o r 或i n t e l l i g e n ts e n s o r ) 是传感器技术发展的一个 重要方向，它的历史可以追溯到1 9 7 8 年由美国宇航局在宇航工业发展中开发出 来的产品，宇宙飞船中有大量传感器不断向地面发送温度、位置、速度和姿态 等数据，由于一台大型计算机难以同时处理这样多的数据，于是提出把c p u 分 散化的解决方案，这样就产生出智能化传感器。 据h o n e y w e l l 工业测量与控制部产品经理t o m g r i f f i t h s 的定义1 4 j ：“一个良 好的智能传感器是由微处理器驱动的传感器与仪表套装，并且具有通信与 板载诊断等功能，为监控系统和或操作员提供相关信息，以提高工作效率及减 少维护成本。 c o g n e x 公司c h e c k e r 机器视觉部产品营销经理j o h n k e a t i n g 继续补充说， “对于一种真正的智能( 机器视觉) 传感器，它应该不需要使用者懂得机器 视觉。” 智能传感器必须具备通信功能。“最起码，除了满足最基本应用的反馈信号， 智能传感器必须能传输其它信息。 e d e a l 表示。这可以是叠加在标准4 - 2 0 m a 过程输出、总线系统或无线安排上的h a r t ( 可寻址远程传感器高速通道的开 放通信协议) 信号。该领域正在增长的因素是i e e e l 4 5 l 一系列旨在为不同 厂家生产的传感器提供即插即用能力的智能传感器接口标准。 我们可以看出，智能传感器被定义为具有一种或多种敏感功能，能够完成 信号探测、变换处理、逻辑判断、功能计算、双向通讯，内部可实现自检、自 校、自补偿、自诊断、具备以上部分功能或全部功能的器件【8 1 。从这些特性方 面可以很容易看出，智能传感器系统较之传统传感器有了质的飞跃，它代表了 传感器的发展方向。 4 智能传感器的实现是基于高负荷数据量的处理和高度集成的功能。因此将 检测技术和d s p 技术融合到一起将很容易实现所谓的智能传感器，d s p 是专为 高负荷数字信号处理而设计的，这种特点正好能满足智能传感器的需要，另外 当今的高性能多媒体处理器如t i 公司的达芬奇系列d s p 不仅继承了d s p 的信 号处理的特性，而且在片上集成了微控制器、专用的视频和音频片上系统，丰 富的外设接i z l ，从而能在一块单芯片上实现几乎所有的信号处理功能，极低的 功耗，为智能传感器的实现提供了功能强大的处理和应用平台。 与传统的传感器相比，智能传感器的特点为： ( 1 ) 高精度 智能传感器将传感器获得的模拟信息数字化，采用计算机对信号进行处理， 因而可采用多种方案来保证他的高精度，如：与标准参考基准实时对比以自动 进行整体系统标定：自动判定采集数据的有效性，消除偶然误差的影响等。通 过更具智能的信号处理方法，对传感元件采集到的信号进行多种高效处理，可 以去除输入信号中夹杂的噪声，将有用信号提取出来，还可以消除多参数状态 下交叉灵敏度的影响，保证在多参数影响下对测量的分辨力，获得高的信噪比 和高的分辨力。由于计算机和电子工业的快速发展，处理器的价格快速下降从 而在保证高精度的前提下，提高了智能传感器的性能价格比。 ( 2 ) 高可靠性和高稳定性 智能传感器系统能实时自动进行系统的故障自检，确定故障类型及部位， 并做出异常情况的应急处理，避免因传感器系统本身故障而引起整个测控系统 出错，大大提高可靠性。它还能通过数据处理来自动补偿因工作条件与环境参 数发生变化后引起的系统特性漂移，而其数字信号处理方式又有效地削弱了元 器件特性漂移对信号的影响，提高了系统的稳定性。 ( 3 ) 强的自适应特性 智能传感器系统依靠其自身具备的智能功能及系统组态能力，可灵活适应 多种不同的应用场合与使用要求。它能自动对信息采集、信息处理模式及通讯 速率等进行优化，在量程改变、量纲改变、要求的输出信号形式改变等情况下， 仅通过简单的系统组态即可实现，无需修改硬件，增强了系统的适应能力。 从特性方面可以看出，智能传感器系统较之传统传感器有了质的飞跃，它 代表了传感器的发展方向。当前嵌入式技术的发展将智能传感器算法运算耗费 的时间大幅度缩短，不但可以实时的对获取的数据进行处理，还有充足时间完 成其他工作，如操作系统。嵌入式的另一个好处是系统更小、更便携、更实用。 嵌入式智能传感器是测量技术、微电子技术、计算机技术、信息处理技术 等多学科相结合的综合密集型技术，研究趋势主要表现在如下几个方面： ( 1 ) 利用新型材料研制基本传感器。基本传感器是智能传感器的基础，除 硅材料具有优良的物理特性，功能陶瓷、石英、记忆合金等都是制作传感器的 5 优质材料。 ( 2 ) 利用新的加工技术实现智能传感器的小型化和集成化。由于微电子行 业的飞速发展，微结构的智能传感器已经成为可能。 ( 3 ) 采用新的测量原理和方法提高传感器本身的鲁棒性以适应复杂的外界 环境，是实现智能传感器的必要条件。 ( 4 ) 用智能信息处理的方法解决在传统传感器信号处理无法解决的问题， 通过智能信息处理提供的学习，判断的方法和框架，加强传感器的自适应能力， 完成传感器的信号处理的智能化。智能信息处理和智能传感器的研究和发展是 相辅相成的。 ( 5 ) 将大量智能传感器互连形成智能传感器网络，是智能传感器研究发展 的一个趋势。 1 2 4 嵌入式技术 嵌入式技术( e m b e d d e ds y s t e m ) 是当今发展最快、应用最广、最有发展前景 的主要技术之一，已被广泛应用于零售业自动售货、工业控制、通信、信息家 电、医疗仪器、智能仪器仪表、汽车电子、航空航天等各个领域【】。 嵌入式系统一般指非p c 系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备 或器材。它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、 成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。简单地说，嵌入式系 统集应用软件与硬件于一体，类似于p c 中b i o s 的工作方式，具有软件代码 小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。 嵌入式系统的硬件部分，包括处理器微处理器、存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像 硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用e p r o m 、e e p r o m 或闪存( f l a s h m e m o r y ) 作为存储介质。软件部分包括操作系统软件( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用 程序编程与硬件的交互作用。 1 2 4 1 嵌入式处理器 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备4 个特点： ( a ) 对实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时 间，从而使内部的代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限度；( b ) 具有功 能很强的存储区保护功能，这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了 避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能， 同时也有利于软件诊断：( c ) 可扩展的处理器结构，以能迅速地扩展出满足应用 的高性能的嵌入式微处理器；( d ) 嵌入式微处理器的功耗必须很低，尤其是用于 便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此， 6 功耗只能为毫瓦甚至微瓦级。 根据现状，嵌入式计算机可分成下面几类： ( 1 ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 嵌入式微处理器采用“增强型”通用微处理器。由于嵌入式系统通常应用 于环境比较恶劣的环境中，因而嵌入式微处理器在工作温度、电磁兼容性以及 可靠性方面的要求较通用的标准微处理器高。但是，嵌入式微处理器在功能方 面与标准的微处理器基本上是一样的。类似“工业计算机 ，和工业控制计算 机相比，嵌入式微处理器组成的系统具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高 的优点，但在其电路板上必须包括r o m 、r a m 、总线接口、各种外设等器件， 从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。由嵌入式微处理器及其存储器、 总线、外设等安装在一块电路主板上构成一个通常所说的单板机系统。嵌入 式处理器目前主要有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 4 0 0 、p o w e r p c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、 a r m 系列等。 ( 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，它将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌 入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应用，在芯片 内部集成了r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、看门狗、i o 、 串行口、脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s hr a m 、e e p r o m 等各种必要功能 部件和外设。为适应不同的应用需求，对功能的设置和外设的配置进行必要的 修改和裁减定制，使得一个系歹i j 的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的 处理器内核都相同，不同的是存储器和外设的配置及功能的设置。这样可以使 单片机最大限度地和应用需求相匹配，从而减少整个系统的功耗和成本。 通常，嵌入式微处理器可分为通用和半通用两类，比较有代表性的通用系 列包括8 0 5 1 、p 5 1 x a 、m c s - 2 5 l 、m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 、c 1 6 6 1 6 7 、6 8 3 0 0 等。而 比较有代表性的半通用系列，如支持u s b 接口的m c u8 x c 9 3 0 9 3 1 、c 5 4 0 、 c 5 4 1 ；支持1 2 c 、c a n 总线、l c d 等的众多专用m c u 和兼容系列。目前m c u 约占嵌入式系统市场份额的7 0 。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) 在数字信号处理应用中，各种数字信号处理算法相当复杂，一般结构的处 理器无法实时的完成这些运算。由于d s p 处理器对系统结构和指令进行了特 殊设计，使其适合于实时地进行数字信号处理。在数字滤波、f f t 、谱分析等 方面。d s p 算法正大量进入嵌入式领域，d s p 应用正从在通用单片机中以普通 指令实现d s p 功能，过渡到采用嵌入式d s p 处理器。嵌入式d s p 处理器有两 类： d s p 处理器经过单片化、e m c 改造、增加片上外设成为嵌入式d s p 处 理器，t i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 c 6 0 0 0 c 6 4 x 等属于此范畴； 7 在通用单片机或s o c 中增加d s p 协处理器，例如i n t e l 的m c s 2 9 6 和 i n f i n e o n ( s i e m e n s ) 的t r i c o r e 。 另外，在有关智能方面的应用中，也需要嵌入式d p s 处理器，例如各种带 有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘，a d s l 接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等。这类智能化算法一般都是运算量 较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是d s p 处理器的优势 所在。嵌入式d s p 处理器比较有代表性的产品是t i 的t m s 3 2 0 系列和m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。t m s 3 2 0 系列处理器包括用于控制的c 2 0 0 0 系列、移动通 信的c 5 0 0 0 系列，以及性能更高的c 6 0 0 0 和c 8 0 0 0 系列。d s p 5 6 0 0 0 目前已经 发展成为d s p 5 6 0 0 0 、d s p 5 6 1 0 0 、d s p 5 6 2 0 0 和d s p 5 6 3 0 0 等几个不同系列的处 理器。另外，p h i l i p s 公司最近也推出了基于可重置嵌入式d s p 结构，采用低 成本、低功耗技术制造的r e a ld s p 处理器，其特点是具备双h a r v a r d 结构和 双乘累加单元，应用目标是大批量消费类产品。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 随着e d i 的推广和v l s i 设计的普及化，以及半导体工艺的迅速发展，可 以在一块硅片上实现一个更为复杂的系统，这就产生了s o c 技术。各种通用处 理器内核将作为s o c 设计公司的标准库，和其他许多嵌入式系统外设一样，成 为v l s i 设计中一种标准的器件，用标准的v h d l 、v e r l o g 等硬件语言描述， 存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计 图交给半导体工厂制作样品。这样除某些无法集成的器件以外，整个嵌入式系 统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简单，对 于减小整个应用系统体积和功耗、提高可靠性非常有利。 s o c 可分为通用和专用两类，通用s o c 如i n f i n e o n ( s i e m e n s ) 的t r i c o r e 、 m o t o r o l a 的m c o r e ，以及某些a r m 系列器件，如e c h e l o n 和m o t o r o l a 联合研 制的n e u r o n 芯片等：专用s o c 一般专用于某个或某类系统中，如p h i l i p s 的 s m a r tx a ，它将x a 单片机内核和支持超过2 0 4 8 位复杂r s a 算法的c c u 单元 制作在一块硅片上，形成一个可加载j a v a 或c 语言的专用s o c ，可用于互联 网安全方面。 1 2 4 2 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式 系统( 包括硬、软件系统) 极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱 动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等 b r o w s e r 。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来 越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植 和维护中解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。与 通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、 8 软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。 嵌入式操作系统可以分为两类，一类是面向控制、通信等领域的实时操作 系统，如w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s 、i s i 的p s o s 、q n x 系统软件公司的q n x 、 a t i 的n u c l e u s 等；另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统，这类产品 包括个人数字助理( p d a ) 、移动电话、机顶盒、电子书、w e b p h o n e 等。 实时系统是指能在确定的时间内执行其功能并对外部的异步事件做出响应 的计算机系统。其操作的正确性不仅依赖于逻辑设计的正确程度，而且与这些 操作进行的时间有关。“在确定的时间内 是该定义的核心。也就是说，实时 系统是对响应时间有严格要求的。 实时操作系统可分为可抢占型和不可抢占型两类。对于基于优先级的系统 而言，可抢占型实时操作系统是指内核可以抢占正在运行任务的c p u 使用权并 将使用权交给