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1、现代传感技术与系统,第十四章 智能传感技术,传统传感器是指：能感受规定的被测量，定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换器件组成。智能传感器定义为：集成有传感器，带有微处理器，具有信息监测与处理功能的器件或装置叫智能传感器。智能传感器是由传统的传感器和微处理器(或微计算机)相结合而构成的它充分利用微处理器的计算和存储能力，对传感器的数据进行处理并能对它的内部行为进行调节使采集的数据最佳。,知识点1,什么是智能传感器,微处理器是智能传感器的核心，它不但可以对传感器的测量数据进行计算、存储、数据处理，还可以通过反馈回路对传感器进行调节。由于微处理器充分发挥各种软件的功能，可以完成
2、硬件难以完成的任务，从而大大降低了传感器制造的难度，提高传感器的性能，降低成本。,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：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这些功能决定了智能传感器具有高的准确性、灵活性、可靠性以及性价比。,知识点2,智能传感器的基本功能,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。,智能传感器线性化校正原理框图,智能传感器输入-输出特性线性化原理,知识点3,如何处理非线性问题,非线性自动校正
3、方法主要有查表法、曲线拟合法和神经网络法三种,1.查表法 查表法是一种分段线性插值方法。根据准确度要求对非线性曲线进行分段，用若干折线逼进非线性曲线。插值表达式的通式为：,Yi=xi=xk+(xk+1-xk)(ui-uk)/uk+1-uk,2.曲线拟合法,曲线拟合法通常采用n次多项式来逼近反非线性曲线，多项式方程的各个系数由最小二乘法确定。步骤如下：对传感器及其调理电路进行静态试验标定，得到校准曲线。设反非线性曲线拟合多项式方程为：Xi(ui)=a0+a1ui+a2ui2+anuin 根据最小二乘法原则求解待定系数。曲线拟合法的缺点在于当有噪声存在时，利用最小二乘法原则确定待 定系数时可能会遇
4、到病态而无法求解。,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：硬件冗余诊断法 基于数学模型的诊断法 基于信号处理的诊断法 基于人工智能的故障诊断法,知识点4,如何进行自检,参数估计诊断法状态估计诊断法,直接信号比较法基于主成分分析基于小波变换的诊断方法,基于专家系统的诊断方法基于神经网络的诊断方法,传感器的电磁兼容性是指传感器在电磁环境中的适应性，它要求传感器在同一时空环
5、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。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。提高抗干扰能力具体方法有以下几种：一是电磁屏蔽：是抑制干扰耦合的有效途径；二是接地：是消除传导干扰耦合的重要措施；三是元器件选择：采用降额原则并选择高精密的元器件；四是合理设计电路板：尽量减少闭合回路所包含的面积。,知识点5,怎样提高传感器抗干扰能力？,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、通信和供电问题，是具备电子标识、传感器、控制和存储等多种功能的器件。其适用于单个
6、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中有着广泛应用。,1-wire总线具有以下特点：结构简单成本低节省I/O口资源便于总线扩展和维护,知识点6,1-Wire总线的特点是什么？,1.1-Wire单总线器件的硬件结构,1-wire的硬件结构,内部等效电路,2.1-Wire单总线器件的时序,访问1-wire器件要求遵循标准的1-wire协议，支持16kb/s的正常速率及142kb/s的高速模式。1-wire协议定义了复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1等几种时序。,初始化时序图,写1时序图,写0时序图,读0、1时序图,I2C总线是Philips公司20世纪80年代推出的一种用于
7、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：简化硬件设计，总线只需要两根线 串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCI）器件地址的唯一性 每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和一直存在的简单的主 机/从机关系软件设定地址。允许有多个主I2C器件 I2C总线上允许有多个主器件，总线协议中有冲突检测和仲裁机制，以防止通信中的数据丢失或错误；多种通信速率模式 I2C总线在标准模式下的速率为100kbit/s，快速模式下为400kbit/s，高速模式下为3.4Mbit/s；节点可带电接入或撤出（热插拔）各个节点
8、电源独立，可以实现节点的带电接入或移除（热插拔）,知识点7,I2C总线的特点的特点是什么？,1.I2C总线的电气结构 I2C总线接口内部为双向传输电路，总线端口输出为开漏结构，总线上必须有上拉电阻。,总线的电气结构图,2.I2C总线时序 I2C总线上数据传递时序图如图所示。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。,总线上数据传递时序图,3.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
9、置使用，还可以作为温度控制装置使用。,图14-18 LM75A数字温度传感器的功能框图,SPI总线是Motorola公司推出的一种同步串行外设接口技术。SPI接口是在CPU与外围器件之间进行同步串行数据传输，在主器件的移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后，为全双工通信，数据传输速度总体来说比I2C总线要快，速度可达几Mbps。SPI总线的特点主要有以下几点：高效的、全双工、同步的通信总线；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；可同时发出、接收串行数据；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。,知识点8,SPI总线的特点是什么？,1
10、.SPI总线的连接结构 SPI总线可以同时发送和接收串行数据。它只需四条线就可以完成MCU与各种外围器件的通讯，这四条线是：串行时钟线（SCK）、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。,SPI总线连接结构图,2.SPI总线的时序,3.基于SPI总线的智能温度传感器LM74,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（通用串行总线）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USB1.0、USB1.1和USB 2.0等规范，USB 3.0规范的技术样本也已经
11、公布。USB总线有如下特点：速度快USB1.1支持高速模式，传送速率为12Mbit/s,比标准串口大约快100倍；USB2.0支持全速模式，传输速度480Mbit/s;USB3.0传输速度为5Gbit/s。连接简单快捷 可以在正在运行的电脑上安全地连接或断开一个USB设备而不需要重启系统。无须外接电源和低功耗USB总线可提供最大5V的电压，电流500mA。支持多连接 USB总线可以同时挂接多个USB设备，理论上可达127个。良好的兼容性 USB总线具有良好的向下兼容性。,知识点9,USB总线的特点是什么？,1.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条线构成，用以传送
12、信号和提供电源，如图14-27所示。,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，设备能吸入的最大电流值为500mA。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。,2.USB的系统组成和拓扑结构,图14-28 USB系统拓扑结构图,USB主机的功能：管理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127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。,3.USB的传输方式 针对设备对系统资源需求的不同,
13、在USB规范中规定了4种不同的数据传输方式：等时传输方式等时传输方式即以固定的传输速度连续不断地在主机与USB之间传输数据。中断传输方式该方式传送的数据量很小，但这些数据需要及时处理，以达到实时效果。控制传输方式用设备控制指令，设备状态查询及确认命令来处理主机USB设备的数据传输。批传输方式由于传输要求无误的要求。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。,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”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和阵列式
14、智能传感器。1.嵌入式智能传感器 嵌入式智能传感器一般是指应用了嵌入式系统技术、智能理论和传感器技术，具备网络传输功能，并且集成了多样化外围功能的新型传感器系统。结构如图所示：,知识点10,智能传感技术的发展趋势,图14-49 嵌入式智能传感器,一款应用于液态乙醇浓度在线检测的嵌入式智能传感器。其原理图如图所示：,图14-50 嵌入式智能传感器应用,2.阵列式智能传感器,阵列式智能传感器即为将多个传感器排布成若干行列的阵列结构,并行提取检测对象相关特征信息并进行处理的新型传感器系统。阵列中的每个传感器都能测量来自空间不同位置的输入信号并能提供给使用者以空间信息。,总体结构由三个层次组成：第一层
15、次为传感器组的阵列实现集成，称为多传感器阵列；第二层次是将多传感器阵列和预处理模块阵列集成在一起，称为多传感器集成阵列；第三层次是将多传感器阵列、预处理模块阵列和处理器全部集成在一起时，称为阵列式智能传感器。,图14-51 阵列式智能传感器总体结构,阵列式智能传感器的应用：美国IBM公司和TI公司联合设计有源反射镜的可变型微反射镜结构。此结构可补偿由工艺或温度变化引起的几何变形，从而成为一个智能微镜。其在通信工业、食品加工等部门，引用机械阵列式智能微镜来改善质量控制、工艺控制和产品设计具有极大的潜在优势，用途广泛，如光通信信号的高速路由选择、投影显示器等。,图14-52 有源微镜阵列,本章结束谢 谢！,
