智能传感技术

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标准14.4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”。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智能传感器的结构被测量传感器信号调理电路前处理后处理数据输入准备：数据的调整、选择等数据的处理：分析、保存等数据输出准备：输出格式和界面定制等软件部分微处理器输出接口数字量输出图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：⑴逻辑判断、统计处理功能⑵自检、自诊断和自校准功能⑶软件组态功能⑷双向通信和标准化数字输出的功能⑸人机对话功能⑹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-输出的线性化。14.2.2非线性的线性化校正传感器微处理器A/D调理电路xuxxy=xu图14-2智能传感器线性化校正原理框图ux0xiuixiu0uix0xy图14-3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动态特性校正传感器动态校正器y(t)yc(t)u(t)0tyyc(t)y(t)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：⑴将传感器的动态特性用低阶微分方程来表示；⑵按传感器的实际特性建立补偿环节。⑴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。⑵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A/DK1K2K3K41110110011000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总线和IEEE1451智能传感器接口标准来叙述智能传感器总线标准。14.3智能传感器系统的总线标准㈠1-Wire总线简介1-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㈠1-Wire总线硬件结构14.3.1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TxVccΩ1-Wire总线5µARxTxΩMOSFET1-Wire端口Rx4.7k100图14-10硬件结构图14-11内部等效电路㈠1-Wire总线时序14.3.1基于典型芯片级的总线主机发“复位”脉冲主机收“复位应答”脉冲VPULLUPtRSTHtRSTLtPDHtPDL0V480us≤tRSTL＜∞480us≤tRSTH＜∞(包括恢复时间)15us≤tPDH＜60us60us≤tPDL＜240us(a)初始化时序图㈠1-Wire总线时序14.3.1基于典型芯片级的总线(b)写1时序图15us60ustLOW1tRECtSLOTDS1991采样窗口VPULLUP0V60us≤tSLOT＜120us1us≤tLOW1＜15us1us≤tREC＜∞㈠1-Wire总线时序14.3.1基于典型芯片级的总线(c)写0时序图tRECtSLOT15us60ustLOW0DS1991采样窗口VPULLUP0V60us＜tLOW0＜tSLOT＜120us1us＜tREC＜∞㈠1-Wire总线时序14.3.1基于典型芯片级的总线(d)读0、1时序图tRECtSLOT0VtSUtLOWRtRDVtRELEASE主机采样60us≤tSLOT＜120us1us≤tLOWR＜15us0≤tRELEASE＜45us1us≤tREC＜∞tRDV＝15us㈠基于1-Wire总线的DS18B20型智能温度传感器14.3.1基于典型芯片级的总线64位激光ROM与单总线接口电源检测高速暂存器存储与控制逻辑高温报警触发器TH高温报警触发器TH高温报警触发器TH高温报警触发器TH高温报警触发器TH斜率累加器高温度系数晶振温度寄存器=0低温度系数晶振计数器1预置预置比较计数器2=0LSB置位/清除加1停止图14-13DS18B20的内部框图图13-14DS18B20测温原理框图㈡I2C总线简介I2C（Inter-IntegratedCircuit）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：①简化硬件设计，总线只需要两根线②器件地址的唯一性③允许有多个主I2C器件④多种通信速率模式⑤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㈡I2C总线的电气结构I2C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SCL输出SCL输入SDA输出SDA输入SCL输出SCL输入SDA输出SDA输入RPRPSCLSDA上拉电阻+VDD器件1器件2图14-16总线的电气结构图㈡I2C总线时序I2C总线上数据传递时序如图14-17所示。总线上传送的每一帧数据均为一个字节。发送时，首先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，可以通过对时钟线的控制使传送暂停。14.3.1基于典型芯片级的总线SPSDASCLMSB应答起始条件ACK终止条件应答123～8789912ACK图14-17总线上数据传递时序图㈡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图14-18LM75A数字温度传感器的功能框图上电复位定时器TOS寄存器逻辑控制和接口比较器/中断OSC计数器温度寄存器基准参考带隙温度传感器指针寄存器配置寄存器THYST寄存器11位A/D转换器SDAA2GNDA1A0SCLVCCOS表13-1LM75A的管脚描述表管脚编号助记符描述1SDAI2C串行双向数据线，开漏输出；2SCLI2C串行时钟输入；3OS过热关断输出，开漏输出；4GND地5A2数字输入，用户定义的地址位2；6A1数字输入，用户定义的地址位1；7A0数字输入，用户定义的地址位0；8VCC电源㈡SMBus总线简介SMBus（SystemManagementBus）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㈡SMBus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）。14.3.1基于典型芯片级的总线RP器件1器件2VDD=5VV=3VSDASCLSDASCLSMBDATSMBCLK图14-20SMBus拓扑图㈡SMBus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SCL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㈡基于SMBus总线的多通道智能温度传感器MAX669714.3.1基于典型芯片级的总线多路开关输入缓冲器逻辑控制电路温度传感器基准电压状态寄存器计数器模/数转换器报警单元电路地址指针寄存器远程温度寄存器本地温度寄存器超温设定值寄存器SMBus总线接口严重超温设定值寄存器报警单元电路VCCDXP1DXP2DXN6DXN5DXN4DXN3DXN2DXN1DXP6DXP5DXP4DXP3GNDOVERTALERTSCLSDA图14-21MAX6697的内部结构框图㈡基于SMBus总线的多通道智能温度传感器MAX669714.3.1基于典型芯片级的总线图14-22MAX6697的典型应用电路图硬件执行关断电路单片机（μC）5VVT1……VT6远程被控装置1远程被控装置62.2nF2.2nFOVERTALERTDXP1DXN6DXN1DXP6SCLSDAVCCMAX6697C=0.1uFR1~R4=4.7kΩ㈢SPI总线简介SPI（SerialPeripheralInterface）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：①高效的、全双工、同步的通信总线；②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；