测控系统概念.doc

第一章1.1测控系统的概念 测控系统是现代检测技术与现代控制技术发展的必然和现实的需要，是以检测为基础，以传输途径，以处理为手段，以控制为目的的闭环系统。测控系统的基本构成由四个部分构成：传感检测部分：感知信息（传感技术、检测技术）信息处理部分：处理信息（人工智能、模式识别）信息传输部分：传输信息（有线、无线通信及网络技术）信息控制部分：控制信息（现代控制技术）1.3测控系统的基本特点v 设备软件化：简化硬件、缩小体积、降低功耗、提高可靠性。v 过程智能化：以计算技术和人工智能为核心。v 高度灵活性：实现组态化、标准化、分布式。v 高度实时性：采集、传输、处理、控制高速化。v 高度可视性：图形编程、三维技术、虚拟现实。v 测控一体化：测量、控制、管理。二、测控系统的分类和组成（ppt图 10页）1.检测系统 又称数据采集系统。以通用计算或嵌入式计算系统为核心，单纯实现系统信号的检测、处理、记录和显示为目的的系统。2.控制系统 以通用计算机或嵌入式计算系统为核心，单纯以实现控制为目的的系统。3. 测控系统 以通用计算机或嵌入式计算机系统为核心，以实现检测、传输、处理和控制为目的的系统4. 局域分布式测控系统 以通用计算机和网络为核心，以实现对分布在局部区域内的多个系统的检测、传输、处理和控制为目的的系统5. 广域分布式测控系统以通用计算机和网络为核心，以实现对分布在大范区域内的多个系统的检测、传输、处理和控制为目的的系统四、测控技术的发展方向u 微型化：向微机电系统方向发展u 网络化：向无线网、自组织网、物联网、泛在网方向发展u 智能化：向人工智能化方向发展u 虚拟化：向虚拟现实方向发展测控系统的网络化（1）有线测控网络 工业总线、局域网络、广域网（2）无线测控网络 ADhoc自组织网络、传感网（3）混合测控网络 物联网、泛在网第二章MEMS器件的封装要求(1)封装应对传感器芯片提供一个或多个环境通路(接口)；(2)封装给传感器带来的应力要尽可能的小；(3)封装与封装材料不应对应用环境造成不良影响；(4)封装应保护传感器及其电子器件免遭不利环境的影响；(5)封装必须提供与外界的通道。MEMS的研究领域概括起来，MEMS研究可以分为理论基础、技术基础（有内容）以及应用领域3个主要组成部分。应用领域微传感器、微致动器是构成微机电系统的基础。1微传感器 微传感器是MEMS最重要的组成部分。2.微致动器电子式能量转换器之一，其功能是将电能转换成物理量。微致动器主要种类有:微机电、微开关、微谐振器、微阀门和微泵等。微执行器的驱动力主要有静电、压力、电磁和热。2.1.4MEMS的设计技术微机电系统的设计加工与传统的设计加工不同，传统的设计加工思路是从零件到装配最后到系统，是自下而上的方法；微机电系统是采用微电子和微机械加工技术将所有的零件、电路和系统在通盘考虑下几乎同时制造出来，零件和系统是紧密结合在一起的，是一种自上而下的方法。微系统的设计技术主要是设计方法的研究，其中计算机辅助设计（CAD）是微系统设计的主要工具。MEMS的测量技术涉及几何量、力学量、电磁量、光学量和声学量的检测。1. MEMS用材料性能测试；包括MEMS用结构与功能材料性能的测试，应研究的方向包括：评估方法怀标准，功能材料专项性能测试技术，关键功能材料性能测试仪器与手段。2.MEMS产品加工过程参数测试；包括相关的电路测试技术研究，三维结构形貌与尺寸测试技术，微观机械特性测试技术，表面膜结构与性能测试技术。3.MEMS芯片基本功能测试。包括芯片级微机械动态船尾测试技术、微机械光学测试技术、微机械力学特性测试技术、微机械结构分析技术等专用测试技术。MEMS的加工（及后面思考题）制作MEMS的技术主要有三种。第一种是以日本为代表的利用传统机械加工手段，即利用大机器制造出小机器，再利用小机器制造出微机器的方法；第二种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件；第三种是以德国为代表的LIGA(LIGA是德文Lithograpie光刻、Galvanoformung电铸和Abformung塑铸三个词的缩写)技术，它是利用X射线光刻技术，通过电铸成型和铸塑形成深层微结构的方法。 第二种方法与传统IC工艺兼容，可以实现微机械和微电子的系统集成，而且该方法适合于批量生产，已经成为目前MEMS的主流技术。由于利用LIGA技术可以加工各种金属、塑料和陶瓷等材料，而且利用该技术可以得到高深宽比的精细结构，它的加工深度可以达到几百微米，因此LIGA技术也是一种比较重要的MEMS加工技术。 2.1.9 MEMS发展的趋势(1) 研究方向多样化(2) 加工工艺多样化(3) 系统单片集成化(4) MEMS器件芯片制造与封装统一考虑MEMS器件与集成电路芯片的主要不同在于，MEMS器件芯片一般都有活动部件，比较脆弱，在封装前不利于运输。（5）普通商业应用低性能MEMS器件与高性能特殊用途如航空、航天、军事用MEMS器件并存思考题1. 简述MEMS的含义与特征。MEMS的含义微型机械（Micro machine,日本惯用词）或称微型机电系统（Micro Electro-Mechanical Systems,美国惯用词）或微型系统（Micro systems,欧洲惯用词）。 MEMS是Micro Electro Mechanical Systems的缩写。即微机电系统,它是在微电子技术的基础上发展起来的，融合了硅微加工、LIGA技术和精密机械加工等多种微加工技术，并应用现代信息技术构成的微型系统。它包括感知和控制外界信息(力、热、光、生、磁、化等)的传感器和执行器，以及进行信号处理和控制的电路。它是指可以批量制作的集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、甚至外围接口、通信电路和电源等一体的微型器件或系统，其特征尺寸范围为1nm10mm.加 在MEMS 中: 微传感器是将外部的力、热、声、光、化学等信息转化为电信号,并传给处理电路;处理电路对信号进行放大、转换、计算等处理,并对微执行器发出指令;微执行器根据指令对外部发生动作。 MEMS的特征MEMS的制作主要基于两大技术：IC技术和微机械加工技术。与传统的微电子和机械加工技术相比，MEMS技术具有以下几个显著的特点：（1）微型化MEMS技术已经达到微米乃至亚微米量级，利用MEMS技术制作的器件具有体积小、耗能低、惯性小、频率高、响应时间短等特点，可携带性得以提高。（2）集成化微型化利于集成化，把不同功能、不同敏感方向和制动方向的传感器、执行器集成于一体，形成传感器阵列，甚至可以与IC 一起集成为更复杂的微系统。（3）以硅为基本材料主要有晶体硅和氮化硅等。力学特性良好，具有高灵敏性，强度、硬度和弹性模量与铁相当，密度同铝，仅为钢的三分之一，热传导率接近铜和钨。（4）生产成本低在一个硅片上可同时制作出成千上万的微型部件或MEMS，制作成本大幅度下降，有利于批量生产。2.MEMS加工和封装的方法主要有哪几种？MEMS加工技术MEMS与微电子系统比较，区别在于其包含有微传感器、微执行器、微作用器、微机械器件等的子系统，相对静态微器件的系统而言，MEMS的加工技术难度要高。是在硅平面技术的基础上发展起来的，虽然历史不长，但发展很快，已成为当今最重要的新技术之一。从目前应用来看，其加工技术主要可分为硅基微机械加工技术和非硅基微机械加工技术。1硅基微机械加工技术目前正在使用的硅基微机械加工技术有三种：体硅体微机械加工、表面微机械加工、复合微机械加工。2. LIGA加工技术最大优势(1)深宽比大，准确度高。(2)用材广泛(3)由于采用微复制技术，可降低成本，进行批量生产。3.激光微机械加工技术激光微机械加工技术具有工艺简单、成本低等优点，它代表未来MEMS加工技术发展的方向。3. 紫外线厚胶腐蚀技术；4. .深等离子体腐蚀技术 MEMS封装特点虽然MEMS封装的基本技术都是和微电子封装密切相关的，但是由于MEMS使用的广泛性，特殊性和复杂性，它的封装形状和微电子封装有着很大的差别。对于微电子来说，封装的功能是对芯片和引线等内部结构提供支持和保护，使之不受外部环境的干扰和腐蚀破坏；而对于MEMS封装来说，除了要具备以上功能以外，更重要的是MEMS器件要和测试环境之间形成一个接触界面而获取非电信号，有承受各方面环境影响的能力MEMS封装方法（有图）(1)晶片级封装方法(2)单芯片封装方法倒装片封装 倒装片封装是指通过芯片和衬底之间的电气连接，可以直接把裸片和衬底封装在一起微球栅陈列(ILBGA)球栅陈列封装是利用球状焊盘作为连接点进行表面安装的芯片封装技术。(3)多芯片模块与微系统封装方法第三章所谓无线网络，就是利用无线电波作为信息传输的媒介构成的无线局域网（WLAN），什么是传感器网络n WSN-Wireless Sensor Networksn 基础n 微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术n 解释1n 由部署在观测环境附近的大量的微型廉价低功耗的传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的无线网络系统。n 解释2：n 传感器网络是由一组传感器以特定方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布給观察者。n 传感器网络的三个基本要素：n 传感器，感知对象，观察者n 传感器网络的基本功能n 协作地感知、采集、处理和发布感知信息传统感知方法 传感器接近感知对象 传感器仅产生数据流 传感器无计算能力 无传感器间通信能力现代感知方法 传感器网络覆盖感知对象区域 每个传感器完成其临近感知对象的观测 多传感器协同完成感知区域的大观测任务 使用多跳路由算法向用户报告观测结传感器网络的网络结构n sink -汇聚点n sensor node -传感器节点n sensor field -监测区域n 传感器节点 功能：采集、处理、控制和通信等 网络功能：兼顾节点和路由器 资源受限：存储、计算、通信、能量n Sink节点 功能：连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，发布管理节点的监测任务，转发收集到的数据。 特点：连续供电、功能强、数量少等现代微型传感器 感知能力计算能力通信能力 体积小 能耗小传感器节点n 传感器模块：信息采集、数据转换n 处理器模块：控制、数据处理、网络协议n 无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发采集数据n 能量供应模块：提供能量传感器网络的特点n 大规模网络：地理区域大；部署密集n 提高信噪比；提高监测精度；增强容错性；减少盲区n 自组织网络：不确定性；拓扑结构变化n 资源受限：计算、存储、通讯、能量n 动态拓扑：节点故障；通讯故障；移动性；节点加入n 可靠网络：适应环境条件；鲁棒性、容错性n 应用相关：没有统一的通信协议平台n 以数据为中心传感器节点的限制n 电源能量有限n 通信能力有限n 计算和存储能力有限传感器网络概述与ad hoc的不同（图 可能选择）WSN 结点数量更为庞大 多数节点为静止 节点分布更为密集 能量约束 结点更容易出错 拓扑结构变化频繁Ad hoc 几十至上百个节点 局域网 节点全移动 结构变化（移动） 能量可连续提供 点到点通信通信能力有限（1到10） 节点带宽窄，而且经常变化 节点通信覆盖范围只有几十到几百米， 而且经常变化多源、多跳是主要通信方式n 多个传感器节点向一个目标传送信息n 一次多源信息传输需要多条由多个传感器节点组成的路径节点移动、断接频繁n 在移动网络中，节点移动频繁n 节点间通信的断接频繁，导致通信失败.n 经常受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响, 因此传感器可能会长时间脱离网络, 离线工作电源能量有限n 传感器的电源能量极其有限n 由于电源能量的原因经常失效或废弃n 电源能量约束是传感器网络应用的障碍n 现有电源部件不能满足传感器网络的需要n 传感器传输信息比执行计算更消耗电能n 传感器传输1位信息需要的电能足以执行3000条计算指令计算能力有限n 传感器网络中传感器通常都具有嵌入式处理器和存储器，具有计算能力n 但是，处理器性能、存储器容量和能源都很有限，导致传感器的计算能力十分有限传感器数量大、分布范围广n 传感器网络中传感器节点密集，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多n 传感器网络可以分布在很大区域，也可以分布在险恶环境下n 传感器数量大、分布广的特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护大规模分布式触发器n 很多传感器网络需要对感知对象进行控制（如温度控制）n 传感器需要配备回控装置和控制软件n 我们称回控装置和控制软件为触发器感知数据流无限n 传感器网络每个传感器都产生无限的流式数据，并具有实时性n 每个传感器仅具有有限的存储器和计算资源，难以处理巨大的实时数据流以数据为中心传感器网络不是通常的网络用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件传感器网络不是以地址为中心的传感器网络的协议栈（1）n 能源管理平台： 管理传感器节点如何使用能量；n 移动管理平台： 检测和注册传感器节点的移动，维护到汇聚点的路由，使得传感器节点能够跟踪它的邻居；n 任务管理平台：在一个给定的区域内平衡和调度监测任务传感器网络物理层（1）n 传输媒体n 建议采用ISM （工业、科学和医学）频段n 短距离的无线低功率通信最适合传感器网络n 红外n 不需要许可证，抗干扰n 要求收发双方在视线之内n 光n 不排除用光作为通信媒体传感器网络物理层（2）n 频率选择，载频发生，信号检测，调制，数据加密n 信号传播n 传播信号需要的最小发送功率和传输距离d的n次方（ ）成正比，2= n 4.n 为了减小传输距离，传感器网络采用多跳（multihop）通信方式传感器网络MAC协议的功能（1）n 功能n 无线信道的使用 建立传感器网络的基础结构n 考虑因素n 节省能量n 可扩展性n 链路带宽分配的公平性、带宽利用率、延时性能等 目前普遍认为这三个方面的重要性依次递减WSN路由协议（1）n 已有网络ad hoc、蜂窝 主要目标通信服务质量 带宽利用率n 传感器网络 主要目标高效使用能源 延长网络系统的生存期n 特点（2）n 基于局部拓扑信息n 数据为中心（不知道目的节点的编号，甚至向哪个区域）n 要求n 能量高效（协议简单|开销小|节省能量/均衡消耗）n 可扩展性（网络范围/节点密度）n 鲁棒性（节点变化|拓扑变化）n 快速收敛性n 能量感知路由（3）n 能量路由/能量多路径路由n 查询路由n 定向扩散路由(DD)/谣传路由n 地理路由n GPRS/GEAR/ GEM/边界定位路由n 可靠路由n ReInform/SPEED /多路径路由WSN传输层（1）n 当传感器网络中的系统需要接入Internet 或其它外部网络时，传输层的功能是必要的n 目前关于传感器网络传输层机制和协议的建议很少n 存在的问题n 硬件的限制（例如有限的电能和存储量）使传感器节点不能像Internet中的服务器那样存储大量的数据n TCP的应答方式开销太大n 将来有可能在传感器网络中使用类似于UDP的协议，而在Internet和卫星网络中使用TCP/UDP协议一种TCP分段（TCP splitting） 的方法可能使传感器网络和其它网络（如Internet)互通WSN应用层n 应用层协议还处于探索阶段n 三种可能的应用层协议n 传感器管理协议 Sensor management protocol (SMP)n 任务分配和数据通告协议 task assignment and data advertisement protocol (TADAP)n 传感器询问和数据分发协议 Sensor query and data dissemination protocol (SQDDP)WSN 时间同步（1）时间同步是传感器网络的基本功能定位是传感器网络的基本功能第四章（2） 泛在网的概念 泛在网（Ubiquitous Network ）：是指基于个人和社会的需求，实现人与人、人与物、物与物之间按需进行的信息获取、传递、存储、认知、决策、使用等服务，网络具有超强的环境感知、内容感知及其智能性， 为个人和社会提供泛在的、无所不含的信息服务和应用。 简言之:人与物之间协同和泛在信息服务和应用，协同和泛在是其核心。几种网的区别 泛在网（Ubiquitous Network ） 是指基于个人和社会的需求，实现人与人、人与物、物与物之间按需进行的信息获取、传递、存储、认知、决策、使用等服务，网络具有超强的环境感知、内容感知及其智能性， 为个人和社会提供泛在的、无所不含的信息服务和应用。 物联网（Internet of Things） 是指在物理世界的实体中部署具有一定感知能力、计