第十章-智能传感器课件.ppt

第10章智能传感器 第10章智能传感器 10.1智能传感器及无线传感器网络智能传感器及无线传感器网络 10.2物联网及物联网传感器物联网及物联网传感器 10.3智能传感器的结构框图智能传感器的结构框图 10.4信号处理与信号处理与P接口技术接口技术 10.5智能传感器中的数据处理智能传感器中的数据处理 10.6智能传感器的设计智能传感器的设计 思考题与习题思考题与习题 第10章智能传感器 10.1智能传感器及无线传感器网络智能传感器及无线传感器网络迅速发展的微处理机技术推动和影响着其他技术领域的变革。把微处理机技术引入传感器，可以使传感器实现过去实现不了的功能，具有智能本领，这就是新一代的传感器智能传感器(Intelligent Sensor或Smart Sensor)。在传感器中采用微处理机是构成智能传感器的关键。图10.1示出了这种设计的简单框图。第10章智能传感器 图10.1将微处理机引入传感器的简单框图第10章智能传感器 第10章智能传感器 智能传感器。图10.2所示为某一集成一体化的智能传感器的结构，它将智能传感器的各部分通过一定的工艺，分层集成在一块半导体硅片上。图10.2集成一体化的智能传感器的结构第10章智能传感器 近几年发展起来的无线传感器网络是智能传感器的又一深层次研究，是又一个新的飞跃。无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是计算机、通信和传感器这三项技术相结合的产物。智能传感器等信息获取技术和传送技术的进步为传感器网络的发展和应用创造了有利条件。无线传感器网络由于其展开快速、抗毁性强、监测精度高、覆盖区域大等特点而应用前景广阔，已成为当前信息领域的研究热点之一。无线传感器网络将成为影响人类未来生活的重要技术之一，将应用到各个领域。在军事上，无线传感器网络可用来建立一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统。无第10章智能传感器 线传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的，自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中损坏而导致整个系统崩溃，也正是基于这些特点，无线传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境中，通过声敏、压力、热释电红外等传感器侦探敌方阵地动静，人员、车辆行动情况，实现战场实时监督、战场损失评估等。在医疗上，如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，则医生就可以随时了解被监护病人的情况，进行远程监控，掌握他们的身体状况，如实时掌握体温、血压、血糖、脉搏等情况，一旦发生危急情况可在第一时间实施救助，也可实现在人体内植入人工视网膜(由传感器阵列组成)，让盲人重见光明，第10章智能传感器 无线传感器网络将为未来的远程医疗提供更加方便、快捷的技术实现手段。在商业上，无线传感器网络可实现居民小区、家居环境、楼宇、工作环境智能化，例如，嵌入家电和家具中的传感器和执行机构组成的无线网络与Internet连接在一起将会为人们提供更加舒适、方便和具有人性化的智能家居和办公环境。在工业上，如工厂自动化生产线、仓储管理、检测监控等方面都将有全新的设计和应用模式。在环境保护上，随着人们对生存的自然环境日益重视，环境科学所涉及的范围也越来越广泛。通过传统方式采集原始数据变得越来越困难，无线传感器网络为野外随机性的研究数据获取提供了方便，可以实现诸如野生动植物栖息地生态环境监控、生第10章智能传感器 第10章智能传感器 图10.3无线传感器网络的简略体系结构图第10章智能传感器 第10章智能传感器 10.2物联网及物联网传感器物联网及物联网传感器目前，物联网及物联网传感器已成为一个新的研究热点。物联网(the Internet of Things)也称传感网，其定义是：通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网就是“物物相连的互联网”。如果说无线传感器网络(WSN)是计算机、通信和传感器三项技术相结合的产物，那么物联网就可看成是计算机、通信、射频识别、全球定位系统、互联网和物联网传感器多项技术相结合的产物。第10章智能传感器 第10章智能传感器 广泛的领域。物联网传感器是在智能传感器的基础上进一步完善研制而成的。目前开发的物联网传感器有：无线幕帘控制器；无线调光器；红外动作感应器；无线可燃气体探测器；无线烟感探测器；无线有毒气体探测器；电流监测插座；无线温度感应器；无线移动感应器；无线窗户感应器；无线防盗报警器；无线光线感应器；无线门磁感应器；无线开关控制器；ZigBee RF 模块；无线温湿度传感器；无线压力传感器；等等。图10.4所示为物联网在智能家居中的简单应用例子。第10章智能传感器 图10.4物连网在智能家居的简单应用第10章智能传感器 10.3智能传感器的结构框图智能传感器的结构框图智能传感器视其传感元件的不同具有不同的名称和用途。虽然其硬件的组合方式不尽相同，但其结构模块大致一样。下面我们以智能压力传感器为例，介绍它的结构框图。图10.5示出了一种智能压力传感器的结构框图。第10章智能传感器 图10.5智能压力传感器的结构框图第10章智能传感器 10.3.1P主机模板主机模板P主机模板主要由CPU、存储器(ROM、RAM、EPROM)、串行通信接口、地址译码器、时钟发生器、地址总线(AB)、数据总线(DB)、控制总线(CB)等组成。P是智能传感器的神经中枢，其性能不但影响传感器的硬件电路、接口设计、模块数目，而且影响传感器的成本高低。因此，在智能传感器设计时，应参照如下原则来选择P。(1)根据任务选机型。根据所研制的智能传感器是用于数据处理完成某些测量任务，还是用于某种系统控制，对于不同的任务，应选择不同的机型。例如，MCS-51系列单片第10章智能传感器 第10章智能传感器 表表10.132位位ARM内核处理器与单片机性能比较内核处理器与单片机性能比较 第10章智能传感器 比较之后我们会发现，32位ARM处理器的性能较传统的51单片机高，集成度也大大提高，为单芯片解决方案提供了非常方便的平台，在很多场合都可以用一个芯片包容用户所需要的全部资源，根本不用扩展其他资源。它们不但电路简单易行，风险较小，而且产品价格也能控制在最理想状态。(2)按照需要选字长。字长即并行数据总线的线数。字长较长，就能满足处理较宽范围的算术值的需要。(3)依据用途定速度。P的处理速度取决于时钟频率、执行给定指令所用周期数、指令系统。应依据智能传感器的实际用途，确定P的处理速度。如果传感器用于动态测量,则P的处理速度不能低于传感器的响应速度，而当用于静态测量时可降低一些要求。第10章智能传感器 第10章智能传感器 IEEE-488标准总线共有16根信号线：8根双向数据总线；3根挂钩线，即数据有效线DAV、未准备好接收数据线NRFD、未收到数据线NDAC；5根管理线，即注意线ATN、接口清除线IFC、实行远控线REN、服务请求线SRQ、结束与识别线EOI。IEEE-488标准总线如图10.6所示。该总线可以与带有IEEE-488标准接口的计算机、电压表、电源、信号源等智能仪器相连，完成各种功能。IEEE-488标准接口中的收发器采用Intel 8291、Intel 8292、Intel 8293等芯片，详细内容可参阅自动测试系统方面的相关资料。第10章智能传感器 图10.6IEEE-488标准总线第10章智能传感器 第10章智能传感器 液晶显示器(LCD)近年来发展很快，目前已有标准段式LCD模块、内藏驱动与控制器的标准段式LCD模块、标准字符点阵式LCD模块、标准图形点阵式LCD模块等多个品种面市。LCD具有平板显示、结构轻薄、电压低、功耗小等优点。点阵式LCD已广泛应用于笔记本式计算机、台式计算机和智能传感器中。2.打印输出打印输出必要时应配备打印机。打印输出可以作为永久性记录保存，还可记录瞬时测量值、累加值、周期、批号等用户感兴趣的信息。打印机的选用应从性能价格比等方面考虑。第10章智能传感器 3.接口电路接口电路接口电路指控制系统所需的数/模转换等一切必需的接口电路。第10章智能传感器 10.4信号处理与信号处理与P接口技术接口技术10.4.1传感器输出信号的类型传感器输出信号的类型在智能传感器系统中，接收传感器的输出信号并进行加工处理的是微处理机。微处理机常常要求输入信息的形式是一定字长的并行脉冲信号，即一组二进制数字信息。然而，传感器的输出电信号形式却因传感器的工作原理不同而不尽相同，如图10.7所示。由于传感器的输出信号形式不同，因此必须采用不同的处理和转换方法，把这些信号经过某些预处理并转换为便于微处理机接收的数字信号。第10章智能传感器 第10章智能传感器 如果传感器输出的是数字信号，则微处理机接收之前的预处理和转换就方便得多。在数字信号中，开关信号是最简单的形式，它有触点式与无触点式两种。触点式开关信号可采用隔离电路，使电平输出端与触点一侧在电气上完全绝缘，以防干扰的引入，同时可用硬件或软件的方法来消除机械触点的抖动，以增加可靠性；无触点式开关信号一般为电压信号，可用积分电路或施密特电路来提高输出的抗干扰能力。在考虑了电平、阻抗等匹配问题以后，开关信号可直接引入微处理机的某些端口。其他数字输出信号与微处理机的连接也很方便，这里不再介绍。第10章智能传感器 10.4.2传感器输出的模拟信号的处理传感器输出的模拟信号的处理当传感器的输出信号为随时间连续变化的电参量(如电压、电流、电阻、电容或电感等模拟量)时，这类信号的预处理和数字化接口电路的组成如图10.8所示。图10.8模拟信号的预处理和数字化接口电路的组成第10章智能传感器 1.电压信号的预处理电压信号的预处理多数传感器输出的模拟电压在毫伏或微伏数量级，而且一般变化较为缓慢。但信号所处的环境往往比较恶劣，干扰和噪声较大。预处理电路既要将微弱的低电平信号放大至模/数转换器所要求的信号电平，如05 V或010 V的范围，又要抑制干扰，降低噪声，保证信号检测的精度。因此，在电压信号的预处理电路中主要包括滤波器与性能指标良好的电压放大器。在放大器的输入端加上一个滤波环节，就能有效地降低常规的模拟干扰。通常采用简便、廉价的单级或多级RC滤波器，也可采用由运算放大器构成的有源滤波器。电压信号预处理电路中的放大器，除了要进行电压放大外，第10章智能传感器 常常还要完成阻抗变换、电平转换、电流-电压转换以及隔离等功能，通常可采用仪表放大器(Instrumentation Amplifiers)(或称数据放大器)、测量放大器和隔离放大器(Isolation Amplifiers)。仪表(数据)放大器具有很高的输入阻抗(一般高达109以上)、较低的失调电压(一般小于等于25 V)与温度漂移系数(一般小于等于0.3 V)、较高的共模抑制比(CMRR)(一般均超过120 dB)、稳定的增益以及低的输出阻抗。目前国内外不少厂家有产品供应，如国产型号有749厂的ZF604、ZF605、ZF606，北京半导体器件研究所的BG004等，国外型号有AD605等。第10章智能传感器 所谓隔离，就是在信号传输电路中，在保证信号传输通畅的同时，切断输出电路与输入电路电流或电阻的联系。隔离放大器的主要特点如下：(1)由于具有内部保护装置，因此能抵抗输入端点和地之间或输入和输出端口之间高的电压差(即共模电压)。隔离放大器具有很高的抵抗共模电压的能力。(2)具有高的噪声抑制能力和高的共模抑制能力。(3)从输入到电源地之间有很高的泄漏通路阻抗(隔离欧姆电阻的典型值为1011以上)。第10章智能传感器 隔离放大器可以把信号源与电路输出端欧姆隔离(隔离电阻大于10 M)；隔离放大器能把输入电路浮空(或浮置),切断地环路，消除地环流；隔离放大器能使系统或设备隔离保护。隔离放大器的耦合方式可以是热、磁、光等。目前国内外已生产出许多专用的隔离放大器，如国产型号有北京半导体器件一厂的GF289、B-GF01等，国外同类产品型号有AD289、AD275等。第10章智能传感器 2.电压信号的模电压信号的模/数转换数转换1)采样保持(SH)在智能传感器中，一般被测的连续模拟信号只能以一定的采样频率将采样点的量值数字化后送入微处理器，而AD转换器每完成一次转换都需要一定的时间Tc。如果输入AD转换器的模拟电压Ux在Tc期间的变化大于1 LSB的量化电压，则一般不能保证转换的精度，因此，在转换时间内对采样点的信号电压要加以保持。以8位分辨率的ADC0809芯片来说，设其输入电压幅度UFS为05 V，转换时间为100 s，它允许的输入电压最大变化率为第10章智能传感器 当Ux为正弦变化的信号，即Ux=Um sint，其最大变化率发生在过零时，有于是有第10章智能传感器 因此，Ux的最高频率f max受到限制。当Um=UFS时，可得则ADC0809芯片的f max=6.22 Hz。显然，直接用ADC对模拟电压进行采样与量化的方法只适合于直流与低频信号。当输入ADC的电压变化率较大时，必须采取措施，在ADC之前加入一个SH。SH在某个规定的时刻接收输入电压，并在输出端保持该电压，直至下次采样为止，在保持期间由ADC完成AD转换。这样，上述问题就可得到解决。参考文献10中进行了详细计算，在ADC0809前加入AD582采样保持芯片时，f max可提高第10章智能传感器 到约4 kHz。可见，用同一种ADC芯片，在其前插入SH后，允许输入信号的频率将大大提高。在模拟信号采集系统中，选取采样周期也是很重要的。在智能传感器中，采样周期一般是通过实验来确定的。对工业过程的参数，如流量、压力、温度等，采样周期的选取可参考表10.2所列出的经验数据来确定。第10章智能传感器 表表10.2工业过程某些物理量的采样周期选取范围工业过程某些物理量的采样周期选取范围 第10章智能传感器 2)AD转换器AD有多种工作原理不同的电路，并各有不同的优缺点。如果所选用的AD转换器不能满足系统的要求，那么系统就得不到所要求的性能，严重时甚至所采集的是完全错误的信息。根据不同的工作原理，AD转换器大致可分为以下几种。(1)双积分AD转换器。精度高，抗干扰性能好，价格便宜，但转换速度较低。(2)计数比较AD转换器。结构简单，成本低，转换速度慢，对于变化较快的输入模拟量，会出现跟踪不上的现象。第10章智能传感器(3)逐次逼近AD转换器。精度与价格均适中，转换速度较快。(4)并行AD转换器。硬件复杂，价格高，是一种用编码技术实现的快速AD转换器。AD转换器的主要性能指标有：输入条件、分辨力、转换速度、线性、稳定性、输出代码和附加功能等。下面简单介绍前四项指标的定义及内涵。输入条件。输入条件就是模拟信号转换成数字信号时，模拟信号的输入条件。第10章智能传感器 分辨力。数字化信息是从离散的整数型0开始的连续数值信息，该数值信息的最大值称为分辨力。转换速度。转换速度就是将模拟输入信号转换成数字信息的速度。严格地说，转换速度是转换所需时间的倒数，但习惯上却大多直接用转换所需的时间来表示。AD转换器的工作原理不同，转换速度差别很大，如以转换所需时间表示，一般为几十纳秒到几百毫秒。线性。线性是定义被转换的模拟输入信号与转换后的数字信息比例关系的指标。图10.9所示为AD转换器的线性关系。第10章智能传感器 图10.9AD转换器的线性关系第10章智能传感器 微分(非)线性的定义表示各个通道的通道宽度的误差大小，其数学表达式为以图10.9(b)为例，假定平均通道宽度为1.0，则可见，微分(非)线性是极坏的。(10.1)第10章智能传感器 3)与微机的接口各种型号的AD转换器芯片均设有数据输出引脚、启动转换引脚、转换结束引脚等。在使用时，要正确处理好上述引脚与CPU之间的硬件连线。AD转换器的某些产品注明能直接和CPU配接，这是指AD转换器的数据输出线可直接挂到CPU的数据总线上，说明该转换器的数据输出寄存器具有可控的三态输出功能，转换结束，CPU可用输入指令读取数据。一般8位AD转换器均属此类。而10位以上的AD转换器，为了能和8位的CPU直接配接，输出数据寄存器增加了读数控制逻辑电路，把10位以上的数据分时读出。对于内部不包含读数控制逻辑电路的AD转换器，则在它第10章智能传感器 和8位CPU相连时，应增加三态门，以控制10位以上数据分两次进行读取。AD转换器需外部控制启动转换信号，方能进行转换，这一启动信号由CPU提供。不同型号的AD转换器对启动转换信号的要求不同，分脉冲启动和电平控制启动两种。转换结束信号的处理是由内部转换结束信号触发器置位，并输出转换结束标志电平，通知CPU读取转换结果的数字量。CPU从AD转换器读取数据的联络方式有中断和查询两种，这两种方式的选择往往取决于AD转换器的转换速度和用户程序的安排。图10.10给出了单片机8031与逐次逼近式ADC0809转换器的硬件连接图。由于ADC0809转换器内部设有三态输出锁存器，因此可以直接与MCS-51单片机相连接。第10章智能传感器 图10.10单片机与ADC0809的硬件连接第10章智能传感器 3.DA转换器转换器当需要传感器起控制作用时，DA转换器是必不可少的。目前商品化的DA转换器多数采用R-2RT型解码网络和MOS或TTL型电流开关结构，其输出量与数字输入量成正比。数字输入量常为二进制式，有纯二进制编码、二的补码及BCD码等。DA转换器的种类很多,按其能否直接与CPU相连接而分为两类。一类不带输入数据寄存器，如AD7520(10位分辨力)、AD7521(12位分辨力)和DAC0808等。这类DA转换器结构简单，价格便宜，但与CPU相连接时，必须设置数据锁存器，以便使输入的数据保持一定时间。另一类则在芯片内部集成有输入数据寄存器及片选信号、写信号等第10章智能传感器 电路，如AD7524、DAC0832等。它们可以直接与CPU相连，可作为MCS-51系列单片机的一个外部IO扩展口，使用起来十分方便。通常D/A转换器的输出电压范围有：05 V、2.5 V、5 V、10 V。对于控制中所要求的某些非标准范围的输出，可采用增益可调的运算放大器，对DAC转换器的输出进行调整。在DA转换器选定以后，输出电压就可以根据要求确定。现以8位DA转换器，要求输出电压从0到1 V为例加以说明(采用8位纯二进制编码)。因为有8位，可提供0255种不同的值，所以输出可分为256个不同的级，每级为0.003 90 V或3.9 mV，即可根据DA转换器任一输入值x确定输出电压的大小：第10章智能传感器 现将01 V满刻度的DA转换器的某些输出电压列于表10.3中。(10.2)表表10.3DA转换器的输出电压转换器的输出电压 第10章智能传感器 图10.11为MCS-51系列单片机8031与DAC0832连接的示意图。DAC0832是由输入数据寄存器、DAC寄存器和DA转换器所组成的CMOS器件。其最大特点是片内设有两个独立的8位寄存器(输入数据寄存器和DAC寄存器)，因而具有双缓冲作用。被转换的数据寄存在DAC寄存器中，下一组输入数据又可装入输入数据寄存器中，这就可根据需要快速修改DAC0832的输出。第10章智能传感器 图10.118031与DAC0832连接示意图第10章智能传感器 10.5智能传感器中的数据处理智能传感器中的数据处理10.5.1查表与搜索查表与搜索1.线性搜索线性搜索这是一种对无序表进行搜索的最简单、最慢的方法。搜索开始后，按顺序扫描表中的每一项，逐个比较，逐个查对，直到找到所要求的记录为止。若有一含N个数的数组，线性搜索的平均搜索次数D=N2，则当N很大时，搜索次数就很多，搜索时间就很长。第10章智能传感器 2.对分搜索对分搜索对分搜索是一种较常用的方法，它可以大大减少搜索次数，缩短搜索时间。但要求表格中数据(或字符)的排列是有次序的。例如，对于数，要求它按大小排列；对于字符，则要求按其ASCII码值的大小排列。因此，对一个无次序的表格，首先要设法加以排列(即分类)。分类的方法也很多，气泡排序法就是其中的一种，它通过两两比较、交换、循环，使数组中的最小值冒到顶部。若数组已按大小次序排列好，则可采用对分搜索法。其思想是：先取数组中间的值eN/2(N/2处的值)与要搜索的值x相比较，看是否相等。若相等，则搜索到。若不等，则比较两数的大小：若xeN/2,则下一次第10章智能传感器 取N/2N之间的中间值e3N/4与x相比较；若xeN/2，则下一次取0N/2之间的中间值e1N4与x相比较。这样每搜索一次,使区间缩小1/2。如此一直进行下去，直至或者被搜索的字找到，或者搜索的区间变为0(表示搜索不到所要找的数)。3.跟踪搜索跟踪搜索如果存入表格的所测参数随时间变化不太快，同时，后一次的测量值绝大部分又都在前一次测量值附近且非常接近，那么，表格的搜索可以不从表格首地址开始，而是从前一次测量值所对应的表格地址开始搜索。这便是跟踪搜索法的设想。其搜索步骤是：一个输入量首先与前一次测量值所对应的表格数据进行比较。若相等，则此搜索值被找到；若第10章智能传感器 不等，则把前一次测量值对应的表格地址作为起始地址，再把表格中的数据从上到下(或从下到上)依次取出，与输入量进行比较，直到找到数据为止。所以，跟踪搜索的数据更新率高，总搜索次数最多为两次，与表格数目N无关，速度最快，程序简单。上述几种搜索的程序流程图和编程在有关微机原理及其程序设计的书籍、文献中都可以找到。我们不难想到，传感器数据表格法只能在校准点上得到全补偿，而测量校正曲线时校准点数总是有限的，因此，实际测量的数值不一定正好在校准点上，有可能介于两个校准点之间，这样，必然会产生残余误差。为了节约内存空间，在有限校准点内获得较高精度，应采用插值法。第10章智能传感器 10.5.2分段插值法分段插值法插值法是数值计算中的一个基本方法。分段插值法是插值法中算法简单、收敛性和稳定性较好的一种。这种方法是把传感器的测量范围划分成若干个分段，然后在每个分段内进行线性插值或抛物线插值。在插值点数相同的情况下，抛物线插值的精度高于线性插值，但抛物线插值的程序要复杂一些，因而在精度要求满足时应尽量采用分段线性插值法。分段线性插值法就是用m段通过插值结点的直线来代替传感器输出函数y=f(x)的值，其插值计算公式为(10.3)第10章智能传感器 在微处理机计算时，若xi、xi1、yi、yi1均取小于215的双字节正数，则一般说来，传感器的精度也就足够了。图10.12示出了某传感器静态特性曲线的分段及插值计算框图。实际设计中，把每段的yi、xi值按大小顺序列成相应的数据表格，并预先放在存储器中。只要输入量x在函数区间内，在完成表格搜索后便可利用上述插值计算公式(10.3)，通过程序进行三次减法、一次加法、一次除法及一次乘法运算。分段数目由给定的允许误差和实际曲线而定，可采用均匀分段或非均匀分段。第10章智能传感器 图10.12某传感器静态特性曲线的分段及插值计算框图第10章智能传感器 10.5.3曲线拟合修正法曲线拟合修正法查表搜索和分段插值都保留了数据的全部测试误差，如果个别测量点的测量精度很低，则将影响到修正结果。曲线拟合法是能反映出数据变化趋势的一种方法。通常先用最小二乘法来拟合一组数据(xi，yi)(i=0,1,2,n)，这就是求一个拟合多项式(10.4)第10章智能传感器 根据曲线拟合的经验公式式中：第10章智能传感器 求上述线性代数方程组的解，即可知道拟合多项式的系数。应用曲线拟合修正法时，可先根据曲线拟合精度或实际需要，通过试探法或误差检验法，用计算机高级语言计算确定拟合多项式的阶次，再由实验测得的不同物理量的一组数据(xi，yi)(i=0,1,2,n),按上述经验公式，用高级语言程序设计求出拟合多项式的系数，得到任意x值(敏感元件的经由AD转换送到微处理机的输入量x值)所对应的值y(最终要求得的被测物理量)的多项式，最后编制出计算这个多项式的程序。第10章智能传感器 10.5.4数字滤波数字滤波在智能传感器中，随机噪声干扰总是存在的。如果通过数字滤波器对测量结果进行数字滤波，则可以很好地抑制随机噪声干扰。这里所说的数字滤波主要是指通过软件来实现的数字滤波。数字滤波器的功能就是将一组输入的数字序列通过一定的运算后，转变为另一组输出的数字序列。将所需要的运算编成程序，通过智能仪器中的单片机执行计算，即可实现数字滤波。数字滤波器用差分方程表征，而模拟滤波器用微分方程描述。第10章智能传感器 在智能传感器中，较为常用的数字滤波器有线性与非线性两类。它们的特性不同，抑制随机噪声的能力也不同。例如，线性滤波器对白噪声有较强的抑制能力，中值滤波器则对脉冲型噪声有很强的抑制能力。设有如图10.13所示的脉冲型噪声信号，输入信号在n=3处有脉冲型干扰，其他各采样值均是正确的。如果利用这五个采样值进行线性滤波，则可用差分方程表示：滤波器的输出为第10章智能传感器 而中值滤波的结果为yM(4)=x(2)显然，中值滤波的结果能正确地反映被测量x(n)的大小，而线性滤波结果y(4)中则包含着脉冲型噪声的影响，造成了测量误差。因此，应根据测量系统噪声干扰源的性质，合理地选择数字滤波器。第10章智能传感器 10.6智能传感器的设计智能传感器的设计10.6.1智能压力传感器的设计思路智能压力传感器的设计思路1.智能压力传感器的结构设计智能压力传感器的结构设计智能压力传感器由半导体力敏元件(制作力敏元件时，同时制作两只温敏二极管)、放大器、转换开关、双积分AD转换器、单片机、接口电路、IEEE-488标准接口、存储器和部分外围电路组成，如图10.14所示。第10章智能传感器 图10.14智能压力传感器组成框图第10章智能传感器 2.敏感元件设计敏感元件设计利用集成电路工艺，根据圆形平膜片上各点应力分布，在半导体圆形基片上扩散出四个电阻，同时生成两个温敏二极管。这四个电阻通常接成电桥形式，使输出信号与测量压力成正比，并将阻值增加的两个电阻对接，将阻值减小的两个电阻对接，使电桥的灵敏度最大。半导体基片采用P型硅。P型硅剪切压阻系数44(也即d44)与温度T的关系如图10.15所示。第10章智能传感器 图10.15P型硅44与温度T的关系第10章智能传感器 3.传感器工艺设计传感器工艺设计传感器中的微处理机采用MCS-51系列8031单片机，它通过锁存器74LS373等与外部存储器EPROM相连。可选用2716(2K8)、2732(4K8)、2764(8K8)等不同芯片作存储器，用来存放控制程序、修正值、数据等。其他电路(放大器、AD转换器、DA转换器、IEEE-488标准接口、接口电路等)可合理分布在不同的模板上，组装进一个壳体内。注意连线要尽可能短，模拟地与数字地彻底分开，各个模板电源分别滤波等。为减小体积，其他电路应尽可能利用可编程器件PLD及其集成电路工艺中的焊接、封装等技术把这些电路的芯片做在一块基座上，构成混合集成式信号处理电路。第10章智能传感器 4.软件设计软件设计用8031单片机构成的智能压力传感器软件有控制程序、数据处理程序及辅助程序。智能传感器的重要特点之一是多功能。多种功能一般可用两种方式去执行：一种是用户通过键盘发出所选功能的指令；另一种是自动方式，由内部功能控制程序协调已编制好的数据采集与处理程序工作，或通过IEEE-488总线接收外部远控向智能传感器发出控制指令。智能传感器还有自校、跟踪、越限报警、输出打印、键盘、显示、DA转换等电路及接口。为保证整机有条不紊地工作，可依据图10.16所示的源程序流程图，设计可靠的管理程序。第10章智能传感器 图10.16智能传感器源程序流程图第10章智能传感器 整个智能传感器装成以后，要进行标定。对我们列举的这种简单智能压力传感器，可把它的温度特性曲线、非线性曲线转换成数字码，存入EPROM中，对测试数据通过编制的修正程序进行修正，最后给出比较理想的输出,如图10.17所示。这种智能压力传感器可利用集成电路、传感器的封接技术，将带有感温二极管的硅力敏元件与单片机、AD转换器、接口电路等部分混合集成、连接在一起，使整个系统具有程控、运算、处理等功能，对测试输出信号自动进行修正和补偿，长期稳定地工作在环境温度变化的场合。第10章智能传感器 图10.17智能压力传感器修正、显示流程图第10章智能传感器 10.6.2简单智能温度传感器设计实例简单智能温度传感器设计实例1.要求要求设计一简单智能温度传感器，其技术指标如下：测量范围：36 41。测试精度：0.1。分辨力：0.05。三位数字温度显示及模拟曲线显示。具有温度变化存储、查询、报警等功能。2.参考电路参考电路(1)系统框图如图10.18所示。第10章智能传感器 图10.18系统框图第10章智能传感器(2)部分硬件电路如图10.19和图10.20所示。图10.19显示、查询、报警原理图第10章智能传感器 图10.20模拟曲线显示原理图第10章智能传感器 3.参考软件参考软件软件主要包括：主程序。外部中断服务子程序。T0中断服务子程序。图形处理子程序、图形显示子程序。数据显示子程序及初始化、滤波、延时等子程序。1)主程序流程图及参考程序主程序流程图如图10.21所示。第10章智能传感器 图10.21主程序流程图第10章智能传感器 主程序参考程序如下：第10章智能传感器 第10章智能传感器 第10章智能传感器 第10章智能传感器 第10章智能传感器 第10章智能传感器 第10章智能传感器 图10.22 中断服务子程序流程图第10章智能传感器 10.6.3智能有害气体传感器设计智能有害气体传感器设计1.要求要求设计CO智能气体传感器，其主要技术指标如下：测量范围：0500 ppm(注：ppm=1106)。分辨力：1 ppm。温度范围：20+50。液晶屏显示。具有声、光报警功能。具有二级报警功能。具有自检功能。第10章智能传感器 2.参考电路参考电路CO气体传感器直接与环境中的被测气体反应，产生线性变化的微弱电流信号。此输出信号经过滤波放大，并被转换为电压信号后送给Microchip公司的PIC单片机，PIC单片机对其进行模/数转换、模型运算等处理，直接在液晶屏上显示被测气体的浓度值。CO气体传感器可设置二级报警，当气体浓度达到预置的报警值时，将依据报警的级别不同，发出不同频率的声、光报警信号。另外，该仪器还具有自检、电池欠压指示、调零和标定等功能。第10章智能传感器 1)硬件电路设计概述PIC16F877芯片自身集成了很多在单片机应用系统中常用的电路，如上电复位电路、10位多通道A/D转换器、数据EEPROM等，因此采用PIC16F877(整机如采用便携式，用两节1.5 V电池供电，则可选PIC16LF877)可简化硬件电路部分的设计，硬件部分简单明了。其整体硬件电路框图如图10.23所示。第10章智能传感器 图10.23CO气体监测仪的硬件电路框图第10章智能传感器 CO智能气体传感器硬件电路以PIC16F877为主，包括以下几个主要部分：(1)微控制器PIC16F877。(2)CO气体传感器电路。(3)键盘控制电路。(4)声、光报警电路。(5)液晶显示电路。(6)A/D转换基准电压。第10章智能传感器 2)硬件电路各部分分析(1)CO气体传感器电路。CO气体传感器主要由City Technology Ltd.的CO气体传感器4CF CiTipeL和低电压低功耗CMOS运放ICL7650(整机如采用便携式，用两节1.5 V电池供电，运放可选TLV2324或MAX407等3 V单电源供电，电路要作适当修改)构成，其电路如图10.24所示。(2)A/D转换基准电压。A/D转换基准电压由微功率低噪声电压参考二极管LM385通过精密电位器分压得到，分压为2 V。第10章智能传感器 图10.24CO气体传感器电路第10章智能传感器(3)声、光报警电路。声、光报警电路由发光二极管和低电压蜂鸣器构成，分别由PIC单片机的两个端口控制。此部分工作时，整机的工作电流将增加为未报警状态时的电流的数倍，消耗的功率比较大，因此采用了分时供电的方法，通过单片机控制此部分电源的通断，即浓度达到报警值时才给其供电。另外，用单片机输出的周期脉冲报警信号来控制振荡器的起停，用振荡器输出信号控制蜂鸣器和发光二极管，振荡器可以是用TTL门构成的多谐振荡器。采用这两种方法可以降低此部分电路的功耗。第10章智能传感器(4)液晶显示电路。采用液晶显示电路主要是因为液晶电路功耗低，体积小。液晶控制芯片为韩国三星公司的KS0066U液晶模块，此芯片为串行通信模式，占用MCU的资源少，只需时钟线、数据线和几根控制线与MCU的端口相连即可。3.软件设计软件设计1)建立传感器的线性模型测试软件部分首先需要建立传感器的线性模型，模型参数的选择影响测量的精度，特别是传感器放大电路的增益。增益过小，测量的分辨率就会减小；增益过大，又容易引入干扰。所以，要根据传感器的参数折中考虑。第10章智能传感器 随着使用时间的增长，传感器的参数会发生变化。要保证仪器测量的准确度，使用一段时间后就要用标准气体重新标定仪器。采用简单的比例算法会导致参数改变后仪器无法重新标定，因此需要计算传感器电路部分的转换斜率，浓度可由斜率及A/D转换数据计算得到，而且标定时只要利用标定程序改变存储在EEPROM中的斜率即可。可以由传感器的参数、放大器的增益以及A/D转换位数和参考电压等计算斜率。第10章智能传感器 2)模型参数分析PIC16LF877的A/D转换位为10 bit，参考电压为Uref=2 V(此处以整机为便携式分析，电池电压不足时要保证测量的精度，所以不能定得太高，最好在2 V左右)。气体传感器的几个重要参数如下：线性测量范围：0C ppm。最大过载：L。输出信号：A0a A/ppm。分辨力：R ppm。放大器输出的起始电压为U0(零点)，增益为K，标定气体浓度为C0时的输出为UC。第10章智能传感器 由以上这些参数可得斜率的计算式为A/D转换的电压分辨力为传感器电路输出分辨力为RS=RA0K传感器输出最大线性电压值为Umax=CA0K=Uref，1第10章智能传感器 若RA/DRS，则整机的分辨力由传感器的分辨力决定，反之，整机的分辨力降低，这由A/D的转换精度决定：只要A/D转换精度足够大,即N足够大，上式就能够成立。3)算法实现及程序流程图由传感器曲线及放大器增益计算得到的斜率一般为小数，而浮点计算程序比较复杂，因此，可以将斜率和采样数据同时放大1000倍，将浮点计算转化为定点计算。程序中将包含定点乘法、定点除法、减法以及二进制码转化为BCD码等一些常用算法。主流程图如图10.25所示。第10章智能传感器 图10.25主流程图第10章智能传感器 思考题与习题思考题与习题1.智能传感器与一般传感器相比，有哪些突出优点？2.智能传感器的研究与设计中应着重考虑什么问题？3.若要求DAC1210(12位)DA转换器输出电压的范围为010 V或10 V，试确定二进制输入为0000 0000 0001、1000 0000 0000、1111 1111 1111时，DAC1210输出电压的值。