傳感器的發(fā)展方向-網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器

傳感器的發(fā)展方向 網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器 硅微電子技術(shù)的成熟使得在單個芯片中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微電子機(jī)械系統(tǒng) 成為現(xiàn)實(shí) 也給傳感器的微型化提供了基礎(chǔ) 同時采用了 IC 技術(shù)將信號處理和 控制電路集成了到單個的芯片中 大大提高了傳感器的性能并擴(kuò)展了傳感器的 功能 即實(shí)現(xiàn)所謂的智能化 同過去的 IC 技術(shù)給經(jīng)濟(jì)技術(shù)帶來的的影響一樣 這種集成技術(shù)的應(yīng)用的同樣經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展帶來新的機(jī)遇 對于傳感器來說 不僅是簡單的改變了加工制造的方法 同時對傳統(tǒng)的基一傳感器測量的控制系 統(tǒng)的的設(shè)計(jì)也帶來了深刻的影響 并且對傳感器本身的設(shè)計(jì)的方法也帶來了變 革 使得傳感器的設(shè)計(jì)的測量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及構(gòu)成變得簡單容易 與傳統(tǒng)的 系統(tǒng)相比 更加可靠 便宜 并且擴(kuò)展性更好 很顯然 這些特的實(shí)現(xiàn)主要得益 于在傳感器內(nèi)部嵌入微處理芯片 與傳統(tǒng)的傳感器輸出模擬原始信號不同 這 種傳感器可以在內(nèi)總實(shí)現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)的加工處理 并可以通過標(biāo)準(zhǔn)的接口與外 界實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換 從而實(shí)現(xiàn)了傳感器的智能化 更為重要的是這種智能嘩傳感 器可以根據(jù)實(shí)際的需要通過軟件控制改變設(shè)計(jì) 給系統(tǒng)的擴(kuò)帶來了很大的發(fā)展 余地 減少了研發(fā)費(fèi)用 從使用角度來說 傳感器的準(zhǔn)確性 穩(wěn)定性和可靠性是主要的 過去的研 究工作主要集中在硬件方面 研究內(nèi)容主要有探測機(jī)理 材料 制造工藝 以及 傳感器的補(bǔ)償方法 通過外部電路來研究實(shí)現(xiàn)傳感器的校準(zhǔn) 溫度補(bǔ)償 改善 傳感器的漂移 線性的性待方面 因此總體來說傳統(tǒng)的傳感器設(shè)計(jì)要求經(jīng)驗(yàn)豐 富的工程師能夠根據(jù)實(shí)際的需要來完成 這給測量系統(tǒng)中所使用的傳感器數(shù)量 帶來一定的限制 因?yàn)檫@種傳感器任何一個功能的擴(kuò)展在硬件上需要相應(yīng)的空 間 多功能的傳感器系統(tǒng)受到空間的限制 且性能上同樣受到后續(xù)處理電路 濾波 調(diào)零 補(bǔ)償?shù)?制約 總體來說 這種硬件上的限制 使得單個的系統(tǒng) 中傳感器使用數(shù)量有限 無法實(shí)現(xiàn)一些相關(guān)量的測量 為了保證系統(tǒng)的性能 需 要增加更多的處理電路 比如說溫度補(bǔ)償 需要在傳感器的研制過程中經(jīng)過大 量的實(shí)驗(yàn)來保證 且其中的電路是專用的 無法將其直接移植應(yīng)用到其他的傳感 器中去 增加了傳感器開發(fā)人員的工作 使得傳感器價格昂貴 同樣的道理 這 種專用的傳感器的使用 將使測量系統(tǒng)的功能很難擴(kuò)展 其維護(hù)和修理同樣需 要專門技術(shù)人員來無成 代價較高 無疑也增加了系統(tǒng)的維護(hù)成本 基于半導(dǎo)體技術(shù)的傳感器將改變了這種現(xiàn)狀 其所提供的價格便宜 使用 方便的傳感器 特別是傳感器本身的智能化更加方便系統(tǒng)和集楊 并使得在計(jì) 算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的幫助下完成系統(tǒng)的開發(fā) 實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能 與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì) 相比 不同的應(yīng)用系統(tǒng)無須采用不同的傳感器 可以在單一的傳感器基礎(chǔ)上通 過軟件設(shè)計(jì)來改變傳感器的功能 以滿足不同客戶的需求 這樣 低成本 大批 量的智能傳感器可以快捷 低成本的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 維護(hù)或功能擴(kuò)展 從在改 變過去傳感器僅僅應(yīng)用在工業(yè) 軍事及自動輪控制等領(lǐng)域的情況 更加方便用 戶的使用 擴(kuò)大其應(yīng)用范圍 現(xiàn)在溫度傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用到家用電器中 這僅 僅是開始 隨著更多使用方便的傳感器投入市場 更多的關(guān)于家庭安全 報(bào)警 環(huán)境監(jiān)測等方面的的傳感器將進(jìn)入普通的家庭 本文將根據(jù)智能傳感器的特點(diǎn)給出智能傳感器的設(shè)計(jì)方法 并將其與一般 傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法相比 分析其優(yōu)點(diǎn) 在此基礎(chǔ)上 指出智能網(wǎng)絡(luò)化 傳感器將是未來傳感器發(fā)展的必然方向 給出智能網(wǎng)絡(luò)化的傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 模型和基于現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò) Internet 網(wǎng)絡(luò)的測量控制系統(tǒng)模型 1 什么是智能傳感器什么是智能傳感器 智能傳感器一詞是從國外首先提出 其英文名詞為 SmartSensor 或 IntelligentSensor 自從這個概念提出以來 就有很多種不同的定義 爭論較 大 理解的角度不同 看法相應(yīng)不一 但現(xiàn)在對這個問題基本上已經(jīng)達(dá)成了一定的 共 一般來說 智能傳感器是能夠?qū)崿F(xiàn)對傳感器的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理 而并 非僅僅是將模擬信號 根據(jù) EDC EletronicDevelopmentCorporation 的定義 智能傳感器應(yīng)具備如下的特征 可以根據(jù)輸入信號值進(jìn)行判斷和制定的決策 可以通過軟件控制作出多種的決定 可以與外部進(jìn)行信息交換 有輸入輸出接口 具有自檢測 自修正和自保護(hù)功能 毫無疑問 上面這些特征是智能傳感器應(yīng)具備的 從這些特征來看 其中有 相妝一部分以前是屬于一個儀器所應(yīng)具有的功能 從這點(diǎn)看來 儀器 和 傳感器 的界限已不是十分明顯 作者認(rèn)為 智能傳感器 是一個動態(tài)的概念 就象 計(jì) 算機(jī) 概念一樣 現(xiàn)在 計(jì)算機(jī) 這個名詞的含義早已沒與六十年代計(jì)算機(jī)剛鍘 出現(xiàn)時所包括的內(nèi)容 無論在功能上還是從特性上早已改變了當(dāng)初的意義 現(xiàn) 在計(jì)算僅僅是其簡單的一個部分 它可以實(shí)現(xiàn)信息交換 文字排版 輔助設(shè)計(jì) 控制等一系列的功能 這種內(nèi)涵的擴(kuò)展是基于兩個方面 硬件上的進(jìn)步和軟件 設(shè)計(jì)上的發(fā)展 現(xiàn)在如果說具有計(jì)算功能的機(jī)器都認(rèn)為是計(jì)算機(jī) 很顯然是不 合理的 上面所提到的定義和特性是現(xiàn)階段智能傳感器的基本特點(diǎn) 實(shí)際上 所謂 的智能傳感器并非是簡單的單片機(jī)嵌入傳感器中將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號 其實(shí)際所包括的內(nèi)容要廣泛得多 從智能傳感器的概念產(chǎn)生和發(fā)展歷史來看 其經(jīng)歷一個內(nèi)涵不斷豐富的過種 即是傳統(tǒng)意義上的智能傳感器也并不具備這 種功能 正如上面所提到的 在 80 年代 將信號處理電路 濾波 放大 調(diào)零 與傳感器設(shè)計(jì)在一起 輸出 0 5V 電壓或 4 20mA 電流 這樣的傳感器即為 婁時意義上的 智能傳感器 在 80 年代未期到 90 年代中后期 隨著單片機(jī)技 術(shù)的發(fā)展 將單片微處理嵌入傳感器中實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償 修正 校準(zhǔn) 同時 A D 變換器直接將原來的模擬信號轉(zhuǎn)換數(shù)字信號 這樣一來鈄 智能傳感器 所包含 的含義推進(jìn)一步 這種類型的傳感器在設(shè)計(jì)方法上已開始有所轉(zhuǎn)變 不再象以 前是簡單的硬件構(gòu)成 需要通過軟件對信呈進(jìn)行簡單處理 相應(yīng)輸出的信號是數(shù) 字信號 自 現(xiàn)場部線 概念提出以后 基于現(xiàn)場總線的測量控制系統(tǒng)得到了廣泛 的應(yīng)用 相應(yīng)對傳感器的設(shè)計(jì)又提出了新的要求 從發(fā)展的角度看 未來單個傳 感器獨(dú)立使用的場合將越來越少 更多的是多傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)多參數(shù) 的測量和多對象的控制 測量和控制信息的交換在底層主要是通過現(xiàn)場部線來 完成 數(shù)據(jù)交換主要是通過 Intranet 等網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn) 為了滿足這種多傳感器 之間的信息交換 傳感器設(shè)計(jì)上軟件占主要的地位 通過軟件將傳感器將內(nèi)總各 個敏感單元或與外部的智能傳感器單元聯(lián)系在一起 軟件對象不再是以前的單 個的對象 而是整個系統(tǒng) 其輸出的數(shù)字信號是符合某種協(xié)議格式的 從而可要 實(shí)現(xiàn)傳感器與傳感器之間 傳感器與執(zhí)行器之間 傳感器與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交 換和共享 因此智能網(wǎng)絡(luò)化是傳感器未來發(fā)展方向 2 智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器及其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器及其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 從原理結(jié)構(gòu)來上看來 智能傳感器結(jié)構(gòu)可以用圖 1 所示框圖來表示 從上面的框圖可以發(fā)現(xiàn) 一般意義上的傳感器 即敏感單元 在智能傳感 器中僅僅占很少的一部分 信號處理電路占主要部分 與普通傳感器相比 智能 傳感器將傳感器使用過程中所涉及到所有問題都包括了 例如圖 1 所示的靈敏 度 零點(diǎn)漂移 標(biāo)定等 即使是單物理測量傳感器 也必須有標(biāo)準(zhǔn)的接口獲取所 需要的信息 如溫度 濕度等 以實(shí)現(xiàn)對被測物理量的標(biāo)定和校準(zhǔn) 在很多場 合 加上輸出顯示單元 這種單智能傳感器系統(tǒng)已經(jīng)涵蓋了傳統(tǒng)的儀表概念 基于分布智能傳感器的測量控制系統(tǒng)是由一定的網(wǎng)絡(luò)將各個控制節(jié)點(diǎn) 傳感器節(jié)點(diǎn)及中央控制單元共同構(gòu)成 其中傳感器節(jié)點(diǎn)是用來實(shí)現(xiàn)參數(shù)測量并 將數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn) 控制節(jié)點(diǎn)是根據(jù)需要從網(wǎng)絡(luò)中獲取需要的數(shù) 據(jù)并根據(jù)這些數(shù)據(jù)制訂相應(yīng)的的控制方法和執(zhí)行控制輸出 在整個系統(tǒng)中 每 個傳感器節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)數(shù)目可多可少 根據(jù)要求而定 網(wǎng)絡(luò)的選擇可以是傳 感器總線 現(xiàn)場總線 也可以是企業(yè)內(nèi)部的 Ethernet 也可以直接是 Internet 一個智能傳感器節(jié)點(diǎn)是由三部分構(gòu)成 傳統(tǒng)意義上的傳感器 網(wǎng)絡(luò) 接口和處理單元 根據(jù)不同的要求 這三個部分可以是采用不同芯片共同組成 合成式的 也可以是單片式的 首先傳感器將被測量物理量轉(zhuǎn)換為電信號 通過 A D 轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號 經(jīng)過微處理器的數(shù)據(jù)處理 濾波 校準(zhǔn) 后將結(jié)果傳送 給網(wǎng)絡(luò) 與網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換不網(wǎng)絡(luò)接口模塊完成 控制節(jié)點(diǎn)由微處理器 網(wǎng)絡(luò)接口及人機(jī)接口是輸入輸出設(shè)備組成 用來 收集傳感器節(jié)點(diǎn)所發(fā)送來的信息 并反饋給用戶和輸出到執(zhí)行器 以實(shí)現(xiàn)一定的 輸出 將所有的傳感器連接在一個公共的網(wǎng)絡(luò)上 為保證所有的傳感器節(jié)點(diǎn)和 控制節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)即插即用 必須保證網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)能夠滿足共同的協(xié)議 無論是硬件還是軟件都必須滿足一定的要求 只要符合協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)點(diǎn)都能夠 接入系統(tǒng) 因此為了保證這種即插即用的功能 智能傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)部必須包含 微處理芯片和存儲器 一方面用來存儲傳感器的物理特征 偏移 靈敏度 校 準(zhǔn)參數(shù) 甚至傳感器的廠家信息 維護(hù)等 另一方面用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和補(bǔ) 償 以及輸出校準(zhǔn) 由于這些功能的實(shí)現(xiàn)是在每個傳感器內(nèi)部完成 相應(yīng)的內(nèi)部 參數(shù)在傳感器出廠的進(jìn)候已經(jīng)寫入內(nèi)部寄存器中固定的單元 因此在更換和增 加的節(jié)點(diǎn)的時候 無須對傳感器進(jìn)行標(biāo)定 校準(zhǔn) 在很多的情況下 微處理器需要根據(jù)實(shí)際的需要對傳感器的輸入進(jìn)行處理 和變換 3 設(shè)計(jì)方法和智能傳感器的研究領(lǐng)域設(shè)計(jì)方法和智能傳感器的研究領(lǐng)域 智能傳感器系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是在傳感器技術(shù) 計(jì)算機(jī)技術(shù) 信號處理 網(wǎng)絡(luò) 控制等技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 并隨這些技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展 但不是這此技術(shù) 的簡單合成 無論是微處理器還是網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 都不是原來一般技術(shù)簡單的合成 下面針對網(wǎng)絡(luò)化傳感器系統(tǒng)所涉及的一些問題進(jìn)行分析 首先 系統(tǒng)構(gòu)成 從計(jì)算機(jī)角度來看 一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所處理的數(shù)據(jù)是數(shù)字 信號 且是直接通過外部設(shè)備輸入的 這些信號本身會受到外部設(shè)備限制 但是 對于傳感器系統(tǒng)來說所面對的是與外界環(huán)境相關(guān)的模擬信號 信號與外界的一 些物理量相關(guān) 這意味著信號的存在和信號的出現(xiàn)是受到環(huán)境限制的 為了滿 足控制實(shí)時性的需要 信號的采樣必須保證實(shí)時性 其次 信號處理方法 在網(wǎng)絡(luò)化使用環(huán)境中 即插即用是對網(wǎng)絡(luò)中的每個設(shè) 備最基本的要求 但是由于每個被測物理量通過傳感器時輸入輸出的關(guān)系是不 定的 有些上線性的 但更多的是非線性的 必須保證系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識別被測對象 一方面要能夠確定探測器信號的位置 另一方面要能夠確定傳感器輸入輸出之 間的關(guān)系以及物理量 一般被測物理量和傳感器輸出物理量不一定一樣 例如 是電容式壓力傳感器輸入為壓力 輸出為電容 這類似于傳統(tǒng)傳感器設(shè)計(jì)時 涉及到的標(biāo)定問題 但是不完全一樣 因?yàn)橐话銈鞲衅髟O(shè)計(jì)中無須考慮輸入輸 出物理量 僅僅只考慮它們之間的關(guān)系 再次 需要考慮外部接口 從網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的應(yīng)用來說 其一般使用在 自動化現(xiàn)場的測量控制級 相互之間需要通過現(xiàn)場部線連接在一起 對于不同 的應(yīng)用場合 現(xiàn)在已經(jīng)有很多不同的總線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議 要保證所設(shè)計(jì)的傳感器完 全滿足這些協(xié)議比較困難 這就必須考慮接口問題 這是智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器與 普通傳感器最大的區(qū)別 最后 軟件工具的開發(fā) 由于過去傳感器完全是由硬件所組成 因此研究的 對象主要局限在傳感機(jī)的理 材料 結(jié)構(gòu) 工藝等物理方面 而智能傳感器的 智能性則是在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件實(shí)現(xiàn)其價值的 軟件在智能傳感器中占據(jù) 了主要的成分 而且智能化的程度是與軟件的開發(fā)水平成正比的 相信在不久 的將來 基于計(jì)算機(jī)平臺完全通過軟件開發(fā)的虛擬傳感器會有十分廣泛的應(yīng)用 軟件開發(fā)工具包括設(shè)計(jì) 管理和通訊管理等不同方面 目前這類工具已經(jīng)開始 出現(xiàn) 一般 C Labview ActiveX 等工具軟件都可以完成 軟件的功能主是與軟 件的開發(fā)水平成正比的 用以實(shí)現(xiàn)傳感器模型建立 標(biāo)定參數(shù)建立 最佳標(biāo)定 模型選擇等 盡管智傳感器的構(gòu)成方法并非在所有有場合使用都是合理的 但在許多的 應(yīng)用中 其相對與傳統(tǒng)傳感器的優(yōu)點(diǎn)是無法抗拒的 在大多數(shù)情況下 智能傳感 器價格便宜 使用方便 性能優(yōu)越 維護(hù)簡單 功能擴(kuò)展容易的優(yōu)點(diǎn)是傳統(tǒng)傳 感器無法比擬的 特別是在一些應(yīng)用的傳感器較多的場合 無疑智能傳感器是 最為合理的選擇 目前來說 考慮投資因素 由于在過程測量控制領(lǐng)域中系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命一般