智能传感技术

1、智能传感技术智能传感技术冯养杰冯养杰2014.4.23智能传感技术智能传感技术v一、一、 智能传感器概述智能传感器概述v二、二、 智能传感器的关键技术智能传感器的关键技术 v三、三、 智能传感器系统的总线标准智能传感器系统的总线标准 v四、四、 智能传感器技术新发展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。 本次课首先介绍智能传感器的基本概念基本概念、结构结构、主要主要功能功能及特点特点，然后阐述智能传感器的实现途径实现

2、途径及智能传感器(包括实例)的总线标准总线标准，最后概述智能传感器的新技术新技术与发展趋势发展趋势。引言引言 智能传感器的概念最初是美国宇航局(NASA)在开发宇宙飞船的过程中形成的。为保证整个太空飞行过程的安全，要求传感器的精度高、响应快、稳定性好，同时具有一定的数据存储和处理能力，能够实现自诊断、自校准、自补偿及远程通信等功能，而传统传感器在功能、性能和工作容量方面显然不能满足这样的要求，于是智能传感器便应运而生。一、一、 智能传感器概述智能传感器概述对于智能传感器，目前尚无统一确切的定义。早期认识 人们简单地认为智能传感器是将“传感器与微处理传感器与微处理器组装在同一块芯片上的装置器组装

3、在同一块芯片上的装置”。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、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信息处理、信息记忆、逻辑思维等功能的传感器”。1.1 智能传感器概念智能传感器概念主要由传感器传感器、微处理器微处理器（或微计算机）及相关电路相关电路组成1.2 智能传感器的结构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

4、功能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1.3 智能传感器的功能智能传感器的功能二、二、 智能传感器的关键技术智能传感器的关键技术 不论智能传感器是分离式的结构还是集成式的结构形式，其智能化核心为微处理器，许多特有功能都是在最少硬件基础上依靠强大的软件优势来实现的，而各种软件则与其实现原理及算法直接相关。1、间接传感。2、非线性的线性化校正。3、自诊断。4、动态特性校正。5、自校准与自适应量程。6、电磁兼容性。 间接传感间接传感是指利用一些容易测得的过程参数或物理参数，

5、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2.1 间接传感间接传感 智能传感器具有通过软件对前端传感器前端传感器进行非线性的非线性的自动校正功能自动校正功能，即能够实现传感器输入输入- -输出的线性化输出的线性化。2.2 非线性的线性化校正非线性的线性化校正图14-2 智能传感器线性化校正原理框图 图14-3 智能传感器输入-输出特性线性

6、化原理 智能传感器自诊断技术俗称“自检自检”，要求对智能传感器自身各部件，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2.3 自诊断自诊断 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达到理想或近乎理想近乎理想(满足准确度要求

7、)状态。 2.4 动态特性校正动态特性校正图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低阶微分方程来表示； 按传感器的实际特性建立补偿环节建立补偿环节。 自校准自校准 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重新定标,它可以消除传感器系统的温度漂移温度漂移和时间漂移时间漂移。 自适应量程自适应量程 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增益( (含衰减含衰减) )档数的设定档数的设定和确定切确定

8、切换档的准则换档的准则，这些都依具体问题而定。2.5 自校准与自适应量程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频、高速高速、高灵敏度高灵敏度、高安高安装密度装密度、高集成度高集成度、高可靠性高可靠性方面发展，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不受电磁干扰的影响，也不会对其它电子设备产生影响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。2.6 电磁兼

9、容性电磁兼容性 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芯片级的总线、USBUSB总线总线和IEEE1451IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准来叙述智能传感器总线标准。三、三、 智能传感器系统的总线标准智能传感器系统的总线标准 1-Wire总线简介 1-Wire总线采用一种特殊的总线协议，通过单条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CS

10、P（芯片级封装）、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/s100kbit/s 以下的速率）中有着广泛应用。3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线 1-Wire总线硬件结构3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线序列号接收发射电源单总线电源地微处理器TxVcc1-Wire总线5ARxTx MOSFET1-Wire端口Rx4.7k100图14-10 硬件结构 图14-11 内部等效电路 3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线

11、 基于1-Wire总线的DS18B20DS18B20型智能温度传感器DS18B20是原美国DALLAS半导体公司继DS1820之后新推出的一种改进型智能温度传感器，产品除具备一般单总线器件的特点以外，还具有如下的应用特征：1、供电电压扩大为3.05.5V；2、3引脚PR-35封装或8引脚SOIC封装；3、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温；4、测温范围在-55125之间，测温不确定度可达0.5；5、数字温度计的分辨率用户可从912bit选择；6、用户可自设定非易失性的温度报警上下限值；7、具有电源反接的保护电路。 基于1-Wire总线的DS18B20DS18B20型智能温度传感器3.1

12、 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线图14-13 DS18B20的内部框图 图13-14 DS18B20测温原理框图 I2C总线简介 I2C（Inter-Integrated Circuit）总线是Philips公司20世纪80年代推出的一种用于IC器件之间的二线制串行扩二线制串行扩展总线展总线，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（热插拔热插拔）3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线 I2C总线的电气结构 I2

13、C总线接口内部为双向传输电路双向传输电路，如图13-16所示。总线端口输出为开漏结构开漏结构。 3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线图14-16 总线的电气结构图 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温度测量装置使用，还可以作为温度控制装置温度控制装置使用。 3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线图14-18 LM75A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

14、的I I2 2C C总线为基础总线为基础，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，另外在智能仪器智能仪器、仪表仪表和工业测控工业测控领域也得到了越来越多的应用。3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线 SMBus总线拓扑图 图14-20所示为典型的SMBus总线拓扑结构，包括5V直流电源、上拉电阻RP、由器件1（总线供电）和器件2（自供电）；数据线SMBDAT和时钟线SMBCLK（均为双向通信线双向通信线）。 3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线图14-20SMBus拓扑图 基于SMBu

15、s总线的多通道智能温度传感器MAX6697MAX6697 3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线MAX6697MAX6697的性能特点包括：的性能特点包括：1 1、精确测量多点温度、精确测量多点温度2 2、使用方式灵活、使用方式灵活3 3、功能多、功能多4 4、低功耗、低功耗 基于SMBus总线的多通道智能温度传感器MAX6697MAX6697 3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线图14-21 MAX6697的内部结构框图 基于SMBus总线的多通道智能温度传感器MAX6697 3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线图14-22 MAX6697的典型应用电路图

16、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CPUCPU和各种外围器件之间进行通讯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、全双工全双工、同步的通信总线；简单易用：只需要占用四根线四根线，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、总线竞争保护等功能。3.1 基于典型芯片级的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发送和接收串行数据

17、。它只需四条线四条线就可以完成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 。 3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线图14-23 SPI总线连接结构图 3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线 基于SPI总线的智能温度传感器LM74LM74 LM74是美国国家半导体公司生产的基于SPI总线接口的智能温度传感器。它的特点：1、内含温度传感器和13位A/D转换器，测温范围是-55125，在-1065范围内的测温精度为2.25分辨率可达0.0625，温度/数据的转换时

18、间为310 A ；2、有连续转换模式和待机模式；3、电源电压范围是3.05.5V，正常工作电流约为310A，待机电流仅为7 A. 基于SPI总线的智能温度传感器LM74LM74 3.1 基于典型芯片级的总线基于典型芯片级的总线图14-25 LM74的内部电路框图 图14-26 LM74与68HC11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领域的新型总线技术。先后已经制订了USB1.0USB1.0、USB1.1USB1.1和USB 2.0USB 2.0等规范，USB 3.0USB 3.0规范的技术样本也已经

19、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 3.2 USB总线总线 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 4条线条线构成，用以传送信号和提供电源，如图14-27所示。3.2 USB总线总线图14-27 USB电缆USB主机或根集线器对设备提供的对地电源电压为4.75-5.25V4.75-5.25V，设备能吸入的最大电流值为500mA500mA。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的系统组成和拓扑结构3.2 USB总线总线图14-28 USB系统拓扑结构图USB主机有以下功能：管

20、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外设和集线器总数不能超过127127个个。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 4种不同的数据传输方式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。3.2 USB总线总线USB交换的包格式 USB的信息传输以事务处理的形式

21、进行，每个事务处理由标记包标记包、数据包数据包、握手包握手包3个信息包（Packed）组成。其格式如下：3.2 USB总线总线标记包数据包握手包以数据包中的数据字段为例，其格式如下：（MSB）（LSB） （MSB）（LSB）D7D0D1D2D3D4D5D6D7D0字节N-1字节N字节N+1USB系统软件组成 USB系统软件由主控制器驱动程序主控制器驱动程序（Universal Host Controller Driver, UHCD）、设备驱动程序设备驱动程序（USB Device Driver，USBDD）和USBUSB芯片驱动程序芯片驱动程序（USB Driver, USBD）组成。 US

22、B是使用标准Windows系统USB类驱动程序访问USB类驱动程序接口。USBD.sysUSBD.sys是Windows系统中的USB类驱动程序，它使用UHCD.sysUHCD.sys来访问通用的主控制器接口设备，或者使用OpenHCI.sysOpenHCI.sys访问开放式主控制器接口设备；USBHUB.sysUSBHUB.sys为根集线器和外部集线器的USB驱动程序。3.2 USB总线总线 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“USBUSB转

23、换器转换器”，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USBUSB皮肤传感器皮肤传感器，通过USB线与PC相连，用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真的有效。 2007年安捷伦也推出Agilent U2000 系列基于USBUSB的功率传感器的功率传感器。3.2 USB总线总线 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美国国家标准技术研究所NISTNIST和IEEEIEEE仪器与测量仪器与测量协会的传感技术委员会协会的传感技术委员会联合组

24、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( 即插即用即插即用)。3.3 IEEE1451智能传感器接口标准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

25、及增加系统与数据的可靠文档维护、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网络适配处理器模块(Network Capable Network Capable Application ProcessorApplication Processor，NCAPNCAP)和智能变换器接口模块智能变换器接口模块(Smart Smart Transducer Interface Module, STIMTransducer Interface Module, STIM )两个模块。 3.3 IEEE1451智

26、能传感器接口标准智能传感器接口标准3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准图14-29 IEEE1451定义的智能传感器功能模型 图14-30 分为STIM及NCAP的智能传感器模型 14.3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准 从表13-2中可以看出，目前IEEE1451变换器接口包括点对点接口点对点接口UART/RS-232/RS-422/RS-485/(IEEE P1451.2子标准)、多点分多点分布式接口布式接口（IEEE 1451.3子标准、家庭电话线联盟通信协议）、数字和模数字和模拟信号混合模式接口拟信号混合模式接口（IEEE1451.4子

27、标准，1-wire通信协议）、蓝牙蓝牙/802.11/802.15.4/802.11/802.15.4无线接口无线接口（IEEE 1451.5子标准），CANCAN总线使用的总线使用的接口接口（IEEE P1451.6子标准，用于本质安全系统CANopen协议）、USBUSB接口接口（IEEE P1451.7子标准，RFID系统通信协议）。3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准3.3 IEEE1451智能传感器接口标准智能传感器接口标准图14-31 IEEE1451系列标准工作关系图 随着微机械电子、人工智能、计算机技术的快速发展，智能传感器的“智能智能”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嵌入式智能传感器和阵阵列式智能传感器列式智能传感器。四、四、智能传感器技术新发展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嵌入式系统技术、智能理论智能理论和传感传感器技术器技术，具备网络传输功能网络传输功能，并且集成了多样化外围功能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