智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器的特性及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)解析

硅微電子技術(shù)的成熟使得在單個(gè)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(shí)采用了IC技術(shù)將信號(hào)處理和控制電路集成了到單個(gè)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(duì)于傳感器來說，不僅是簡(jiǎn)單的改變了加工制造的方法，同時(shí)對(duì)傳統(tǒng)的基一傳感器測(cè)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(duì)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(cè)量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及構(gòu)成變得簡(jiǎn)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(hào)不同，這種傳感器可以在內(nèi)總實(shí)現(xiàn)對(duì)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?cè)O(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?jī)?nèi)容主要有探測(cè)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(cè)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(gè)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)龋┲萍s?？傮w來說，這種硬件上的限制，使得單個(gè)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(cè)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(jià)格昂貴。同樣的道理，這種專用的傳感器的使用，將使測(cè)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(jià)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(jià)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?？梢栽趩我坏膫鞲衅骰A(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(dòng)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?，F(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(chǎng)，更多的關(guān)于家庭安全、報(bào)警、環(huán)境監(jiān)測(cè)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(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)、Internet網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量控制系統(tǒng)模型。

1 什么是智能傳感器

智能傳感器一詞是從國(guó)外首先提出 ，其英文名詞為“Smart Sensor”或“Intelligent Sensor”。自從這個(gè)概念提出以來，就有很多種不同的定義，爭(zhēng)論較大，理解的角度不同，看法相應(yīng)不一，但現(xiàn)在對(duì)這個(gè)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(duì)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(hào)。根據(jù)EDC（Eletronic Development Corporation）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(hào)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(cè)、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(gè)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(gè)動(dòng)態(tài)的概念，就象“計(jì)算機(jī)”概念一樣?，F(xiàn)在“計(jì)算機(jī)”這個(gè)名詞的含義早已沒與六十年代計(jì)算機(jī)剛鍘出現(xiàn)時(shí)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?，F(xiàn)在計(jì)算（calculate）僅僅是其簡(jiǎn)單的一個(gè)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(gè)方面：硬件上的進(jìn)步和軟件設(shè)計(jì)上的發(fā)展?，F(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(jiǎn)單的單片機(jī)嵌入傳感器中將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，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(gè)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(hào)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(shí)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(shí)A／D變換器直接將原來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)，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(jiǎn)單的硬件構(gòu)成，需要通過軟件對(duì)信呈進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，相應(yīng)輸出的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)；自“現(xiàn)場(chǎng)部線”概念提出以后，基于現(xiàn)場(chǎng)總線的測(cè)量控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，相應(yīng)對(duì)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(gè)傳感器獨(dú)立使用的場(chǎng)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(cè)量和多對(duì)象的控制。測(cè)量和控制信息的交換在底層主要是通過現(xiàn)場(chǎng)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(gè)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(duì)象不再是以前的單個(gè)的對(duì)象，而是整個(gè)系統(tǒng)，其輸出的數(shù)字信號(hào)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)

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(hào)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(cè)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(duì)被測(cè)物理量的標(biāo)定和校準(zhǔn)。在很多場(chǎng)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(cè)量控制系統(tǒng)是由一定的網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)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(cè)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(gè)系統(tǒng)中，每個(gè)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(chǎng)總線，也可以是企業(yè)內(nèi)部的Ethernet，也可以直接是Internet。一個(gè)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(gè)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(cè)量物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過A／D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，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(gè)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(chǔ)器。一方面用來存儲(chǔ)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(gè)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(shí)候，無須對(duì)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(duì)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

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(hào)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(jiǎn)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(jiǎn)單的合成，下面針對(duì)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(hào)，且是直接通過外部設(shè)備輸入的，這些信號(hào)本身會(huì)受到外部設(shè)備限制。但是對(duì)于傳感器系統(tǒng)來說所面對(duì)的是與外界環(huán)境相關(guān)的模擬信號(hào)，信號(hào)與外界的一些物理量相關(guān)。這意味著信號(hào)的存在和信號(hào)的出現(xiàn)是受到環(huán)境限制的，為了滿足控制實(shí)時(shí)性的需要，信號(hào)的采樣必須保證實(shí)時(shí)性。

其次，信號(hào)處理方法。在網(wǎng)絡(luò)化使用環(huán)境中，即插即用是對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)設(shè)備最基本的要求。但是由于每個(gè)被測(cè)物理量通過傳感器時(shí)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(shí)別被測(cè)對(duì)象，一方面要能夠確定探測(cè)器信號(hào)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(cè)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(shí)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(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量控制級(jí)，相互之間需要通過現(xiàn)場(chǎng)部線連接在一起。對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)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(duì)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(jià)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(tái)完全通過軟件開發(fā)的虛擬傳感器會(huì)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(chǎng)合使用都是合理的，但在許多的應(yīng)用中，其相對(duì)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(jià)格便宜、使用方便、性能優(yōu)越、維護(hù)簡(jiǎn)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(chǎng)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(cè)量控制領(lǐng)域中系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命一般都有幾十年，盡管傳統(tǒng)所使用的測(cè)量控制主要地模擬量傳輸?shù)?，而符合現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的智能傳感器有很多優(yōu)點(diǎn)，但是更換這些傳感器執(zhí)行器要花費(fèi)很多的時(shí)間和增加很大的投資，這種系統(tǒng)還會(huì)存在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。過去這類系統(tǒng)功能的擴(kuò)展比較困難，因此多種系統(tǒng)共存的局面將維持一段時(shí)間。近兩年IEEE1451.4標(biāo)準(zhǔn)工作組已經(jīng)開始著手進(jìn)行智能傳感器與網(wǎng)絡(luò)之間的模擬傳輸接口標(biāo)準(zhǔn)。其主要是針對(duì)傳統(tǒng)以模擬量傳輸為基礎(chǔ)的系統(tǒng)而訂制的一種與網(wǎng)絡(luò)之間接口標(biāo)準(zhǔn)。如果標(biāo)準(zhǔn)得到通過，并有相應(yīng)的硬件支持，對(duì)于這些系統(tǒng)來說，其系統(tǒng)功能的擴(kuò)展將變得更加簡(jiǎn)單。