1、12 智能式傳感器智能式傳感器 0755-智能式傳感器的設(shè)計(jì)智能式傳感器的設(shè)計(jì)1.2第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器概概 述述12.112.2傳感器的智能化實(shí)例傳感器的智能化實(shí)例12.3智能傳感器智能傳感器12.4智能結(jié)構(gòu)智能結(jié)構(gòu)12.50755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器1212.1.1 .1.1 智能式傳感器的概念與形式智能式傳感器的概念與形式 20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，隨著微處理器技術(shù)的迅猛發(fā)展并與傳感器的密切結(jié)合，使傳感器不僅具有傳統(tǒng)的檢測(cè)功能，而且具有存儲(chǔ)、判斷和信息處理的功能。由微處理器和傳感器相結(jié)合構(gòu)成的新穎傳感器，即智能式傳感器（Smart Sensor）。所

2、謂智能式傳感器就是一種以微處理器為核心單元的，具有檢測(cè)、判斷和信息處理等功能的傳感器。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器智能式傳感器包括傳感器的智能化和智能傳感器兩種主要形式。前者是采用微處理器或微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)擴(kuò)展和提高傳統(tǒng)傳感器的功能，傳感器與微處理器可為兩個(gè)分立的功能單元，傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)放大調(diào)理和轉(zhuǎn)換后由接口送人微處理器進(jìn)行處理。后者是借助于半導(dǎo)體技術(shù)將傳感器部分與信號(hào)放大調(diào)理電路、接口電路和微處理器等制作在同一塊芯片上，即形成大規(guī)模集成電路的智能傳感器。智能傳感器具有多功能、一體化、集成度高。體積小、適宜大批量生產(chǎn)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，它是傳感器發(fā)展

3、的必然趨勢(shì)，它的發(fā)展將取決于半導(dǎo)體集成化工藝水平的進(jìn)步與提高。然而，目前廣泛使用的智能式傳感器，主要是通過(guò)傳感器的智能化來(lái)實(shí)現(xiàn)的0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器近幾年來(lái)，人們提出了智能結(jié)構(gòu)的概念，也就是將傳感元件、致動(dòng)元件以及微處理器集成于基底材料中，使材料或結(jié)構(gòu)具有自感知、自診斷、自適應(yīng)的智能能力。智能結(jié)構(gòu)涉及到傳感技術(shù)、控制技術(shù)、人工智能、信息處理和材料學(xué)等多種學(xué)科與技術(shù)，是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外競(jìng)相研究開發(fā)的跨世紀(jì)前沿科技。對(duì)此，本章將作簡(jiǎn)要介紹。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器1212.1.2 .1.2 智能式傳感器的構(gòu)成與特點(diǎn)智能式傳感器的構(gòu)成與特點(diǎn) 從構(gòu)成上看，

4、智能式傳感器是一個(gè)典型的以微處理器為核心的計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)。它一般由圖121所示的幾個(gè)部分構(gòu)成： 同一般傳感器相比，智能式傳感器有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)： （1）精度高 由于智能式傳感器具有信息處理的功能，因此通過(guò)軟件不僅可以修正各種確定性系統(tǒng)誤差（如傳感器輸人輸出的非線性誤差、溫度誤差、零點(diǎn)誤差、正反行程誤差等），而且還可以適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)償隨機(jī)誤差，降低噪聲，從而使傳感器的精度大大提高。 （2）穩(wěn)定、可靠性好 它具有自診斷、自校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，對(duì)于智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)還有自適應(yīng)功能。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 （3）檢測(cè)與處理方便 它不僅具有一定的可編程自動(dòng)化能力可根據(jù)檢測(cè)對(duì)象或條件的改變

5、，方便地改變量程及輸出數(shù)據(jù)的形式等，而且輸出數(shù)據(jù)可通過(guò)串行或并行通訊線直接送 人遠(yuǎn)地計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 （4）功能廣 不僅可以實(shí)現(xiàn)多傳感器多參數(shù)綜合測(cè)量，擴(kuò)大測(cè)量與使用范圍。而且可以有多種形式輸出（如RS232串行輸出，PIO并行輸出，IEEE488總線輸出以及經(jīng)DA轉(zhuǎn)換后的模擬量輸出等）。 （5）性能價(jià)格比高 在相同精度條件下，多功能智能式傳感器與單一功能的普通傳感器相比，其性能價(jià)格比高，尤其是在采用比較便宜的單片機(jī)后更為明顯。 0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 本節(jié)所介紹的智能式傳感器的設(shè)計(jì)，主要從系統(tǒng)的角度考慮硬件和軟件的設(shè)計(jì)

6、，至于傳感器本體的設(shè)計(jì)此處不作介紹。1212.2.1 .2.1 硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)1微處理器系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 微處理器系統(tǒng)主要由中央處理器CPU、存儲(chǔ)器（ROM、RAM）、總線結(jié)構(gòu)（地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線）、輸人輸出口（串行口和并行口）等組成。第二節(jié)第二節(jié) 智能式傳感器的設(shè)計(jì)智能式傳感器的設(shè)計(jì)0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 微處理器系統(tǒng)是智能式傳感器的核心，它的性能對(duì)整個(gè)傳感器的調(diào)理電路、接口設(shè)計(jì)等都有很大的影響。目前可供選用的微處理器系統(tǒng)有以8080 CPU為核心的微處理器系統(tǒng)和MCS51系列、MCS96系列等單片微處理器系統(tǒng)。微處理器的選擇主要根據(jù)以下幾點(diǎn)來(lái)確定。 （1）任

7、務(wù) 在智能式傳感器中，微處理器是用于數(shù)據(jù)處理還是僅僅起控制作用。例如MCS51系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)比較豐富，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，而 Intel 8080及MCS48系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)具有類似控制機(jī)的特點(diǎn)。 （2）字長(zhǎng) 字長(zhǎng)較長(zhǎng)，就能處理較寬范圍內(nèi)的算術(shù)值。因此4位字長(zhǎng)的微處理器一般都用于控制，8位字長(zhǎng)的既可用于數(shù)據(jù)處理，也可用于控制，而16位字長(zhǎng)的微處理器幾乎都用于數(shù)據(jù)處理。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 （3）處理速度 它取決于三個(gè)基本的技術(shù)要求：時(shí)鐘速率，執(zhí)行給定指令所要求的機(jī)器周期數(shù)，以及指令系統(tǒng)。微處理器的指令系統(tǒng)應(yīng)該面向所要處理的問(wèn)題，如果傳感器用于動(dòng)態(tài)測(cè)試，

8、則微處理器的處理速度不能低于傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，如果是用于靜態(tài)測(cè)試，則微處理器的處理速度可降低要求。 （4）功耗 在智能式傳感器設(shè)計(jì)中，功耗也是一個(gè)值得注意的問(wèn)題。功耗受器件工藝。復(fù)雜性、時(shí)鐘速率等因素支配。字長(zhǎng)較長(zhǎng)的微處理器的功耗較大，NMOS和PMOS器件的功耗較少，CMOS器件的功耗最少。 此外，軟硬件設(shè)計(jì)人員對(duì)該型微處理器的熟悉程度，也是選型時(shí)的一個(gè)重要考慮因素。 0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器2信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì) 多數(shù)傳感器輸出的模擬電壓在毫伏或微伏數(shù)量級(jí)，而且變化較為緩慢。然而信號(hào)所處的環(huán)境往往是比較惡劣的，干擾和噪聲較大。信號(hào)調(diào)理電路的作用，一方面是將微弱的低電平

9、信號(hào)放大到模數(shù)轉(zhuǎn)換器所要求的信號(hào)電平，如 05 V或 010 V范圍，另一方面是抑制干擾、降低噪聲，保證信號(hào)檢測(cè)的精度。因此，信號(hào)調(diào)理電路主要包括低通濾波器和性能指標(biāo)較好的電壓放大器。 在放大器的輸人端加一個(gè)濾波器，能夠有效地降低常模干擾，它有無(wú)源濾波器和有源濾波器之分。在智能式傳感器的調(diào)理電路設(shè)計(jì)中，通常采用簡(jiǎn)便、廉價(jià)的單級(jí)或多級(jí)RC濾波器，有時(shí)也采用有源濾波器。有源濾波器具有體積小、重量輕，輸人阻抗高而輸出阻抗低的優(yōu)點(diǎn)，但需提供正負(fù)電源，成本較高。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 信號(hào)調(diào)理電路中的放大器，除了電壓放大外，還可以完成阻抗變換，電平轉(zhuǎn)換，電流/電壓轉(zhuǎn)換，以及隔離

10、的功能。由于大多數(shù)來(lái)自傳感器的信號(hào)可能很小，甚至很微弱，這就要求放大器要滿足低失調(diào)。低漂移、抗共模干擾能力強(qiáng)等指標(biāo)。通常采用的有測(cè)量放大器、程控測(cè)量放大器、隔離放大器。 測(cè)量放大器也稱儀用放大器，它具有高的輸人阻抗，較低的失調(diào)電莊和溫度漂移系數(shù)，高的共模抑制比，穩(wěn)定的增益以及低的輸出阻抗。目前常見的測(cè)量放大器有美國(guó)AD公司生產(chǎn)的AD612、AD6l4、AD521、AD522等。 0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 程控測(cè)量放大器是信號(hào)調(diào)理電路中較常使用的一種放大倍數(shù)可調(diào)的測(cè)量放大器。在智能式傳感器中，由于傳感器可能有多個(gè)，而且即使是同一個(gè)傳感器，在不同的使甩條件下角出信號(hào)的電平變

11、化范圍也會(huì)有較大的差異。由于A/D用轉(zhuǎn)換器的輸人電壓通常為05V或010 V，若上述傳感器的輸出電壓直接作為 A/D轉(zhuǎn)換器的輸人電壓，就不能充分利用A/D轉(zhuǎn)換器的有效位，影響測(cè)量范圍和測(cè)量精度。 因此，必須根據(jù)輸人信號(hào)電平周大小。改變測(cè)量放大器的增益，使各輸人通道均用最佳增益進(jìn)行放大。程控測(cè)量放大器（PGA）就是一種新型的可編程控制增益測(cè)量放大器，它的通用性很強(qiáng)，其特點(diǎn)是硬件設(shè)備少。放大倍數(shù)可根賠要通過(guò)編程進(jìn)行控制使A/D轉(zhuǎn)換器滿量程信號(hào)達(dá)到均一化。 0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器圖122為程控測(cè)量放大器電路原理圖，其中增益選擇開關(guān)S1S1，S2S2，S3S3，成對(duì)動(dòng)作，每一

12、時(shí)刻僅有一對(duì)開關(guān)閉合。當(dāng)改變數(shù)字量輸人編碼，則可改變閉會(huì)樹開關(guān)號(hào)，選擇不同的反饋電阻，達(dá)到改變放大器增益的目的。目前常用的程控測(cè)量達(dá)木器為美國(guó)AD公司生產(chǎn)的LH0084PGA芯片。 隔離放大器又稱隔離器，其輸人電路、輸出電路和電源之間沒有直接的電路耦合，信號(hào)的傳遞與電源電能的傳遞均通過(guò)磁路或光路實(shí)現(xiàn)。它不僅具有通用運(yùn)算放大器的性能，而且輸人公共地和輸出公共地之間有良好的絕緣性能。它可以有效地消除共模干擾的影響生保證測(cè)量系統(tǒng)的安全。目前常用的隔離放大器有美國(guó)AD公司生產(chǎn)的Model277和Model288等。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 3A/D、D/A的設(shè)計(jì) 前面各章所介紹

13、的傳感器，如溫度、壓力、流量、電感、電阻等，它們的輸出量均為模擬量（電壓或電流）。然而微處理器只能接收數(shù)字量，因此在智能式傳感器中，傳感器和微處理器之間要通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 它的功能是將輸人的模擬電壓信號(hào)成比例地轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。當(dāng)需要傳感器的輸出起控制作用時(shí)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器又將微處理器處理后的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量信號(hào)。因此A/D和D/A轉(zhuǎn)換器是智能式傳感器不可缺少的重要環(huán)節(jié)。這里我們不講述它們的工作原理，只介紹A/D和D/A的選擇及接口電路的設(shè)計(jì)。(1)A/D轉(zhuǎn)換器 常用的A/D轉(zhuǎn)換器主要有三種：雙積分式、逐次逼近式、并行比較式。 0755-

14、第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器（此外電壓頻率轉(zhuǎn)換器（VFC）也可以認(rèn)為是雙積分式AAI轉(zhuǎn)換器的一種變型。它利用電荷平衡的原理對(duì)輸人模擬電壓進(jìn)行跟蹤，在一定的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生與輸人電壓成正比的一串輸出脈沖，直接對(duì)其輸出進(jìn)行記數(shù)就可得到數(shù)字量。VFC適用于輸人動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)數(shù)十分貝或需要遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膱?chǎng)合。 了解A/D轉(zhuǎn)換器的外部特性是正確選擇A/D轉(zhuǎn)換器的前提。A/D轉(zhuǎn)換器的外部特性主要是：模擬信號(hào)的輸人方式，數(shù)字量輸出方式，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的外部控制信號(hào)，轉(zhuǎn)換結(jié)束后所發(fā)出的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器在選擇A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，除需要滿足用戶的各種技術(shù)要求外，主要考慮以下性能

15、指標(biāo)：分辨率 它是指輸出數(shù)字量對(duì)輸人模擬量變化的分辨能力，分辨率D取決于A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)n，即：D=1/（2n1）。其中n越大，轉(zhuǎn)換精度越高，但成本也會(huì)隨之增加。目前常用的ADC芯片多為8位、10位、12位。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)換頻率 設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器已處于準(zhǔn)備就緒狀態(tài)，從A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)信號(hào)加人時(shí)起，到獲得與輸人信號(hào)對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)為止，所需的時(shí)間稱為A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間。轉(zhuǎn)換頻率與轉(zhuǎn)換時(shí)間成反比，但是對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換器的最大可能的轉(zhuǎn)換頻率，除了前述的轉(zhuǎn)換時(shí)間外，還包括復(fù)位信號(hào)將A/D轉(zhuǎn)換器全部恢復(fù)到零的時(shí)間。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間或最高工作頻率，一般

16、與A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)、輸出形式以及輸人信號(hào)的大小有關(guān)。逐次逼近式ANM換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間與位數(shù)有關(guān)，與輸人信號(hào)大小無(wú)關(guān)；而雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間隨輸人信號(hào)的幅值而異。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器穩(wěn)定性和抗干擾能力 在同樣分辨率下，雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的線性和穩(wěn)定性高，抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格低，但轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)。VFC的轉(zhuǎn)換速度不高，但其電路簡(jiǎn)單，只需單根傳輸線，適于遠(yuǎn)距離傳輸。并行比較式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度高，但精度差，成本較高。逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器既有較高的轉(zhuǎn)換精度，又有較高的速度，因此是目前最常用的一種。 目前市場(chǎng)上大多數(shù)的集成A/D轉(zhuǎn)換器芯片為逐次逼近式和雙積分式。常

17、見的逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器芯片有：8位的ADC0801，ADC0809，10位的AD570，AD571，12位的ADC80等；常見的雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器芯片有：3（1/2）位的5G14433，4（1/2）位的5G7135和5（1/2）位的AD755等。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器（2）D/A轉(zhuǎn)換器 D/A轉(zhuǎn)換器的功能是將幾位輸人的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬量，其輸出有模擬電壓和模擬電流兩種形式，如DAC 0832、AD 7522是電流輸出形式。有的DAC芯片內(nèi)部設(shè)有放大器、可直接輸出電壓信號(hào)，如AD588、AD7224等。電壓輸出有單極性和雙極性輸出兩種方式。D/A轉(zhuǎn)換器接接收

18、位數(shù)來(lái)分有8位、10位和12位等。在選擇使用D/A轉(zhuǎn)換器中，主要應(yīng)考慮以下性能指標(biāo)： 分辨率 D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率是指輸出模擬量對(duì)輸人數(shù)字量變化的分辨能力，分辨率 D取決于D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)n，即：D1（2n1）。 0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器轉(zhuǎn)換時(shí)間 輸人數(shù)字代碼產(chǎn)生滿度值的變化時(shí)，其模擬輸出達(dá)到最終值的LSB/2內(nèi)所需的時(shí)間。輸出形式是電流時(shí)，其轉(zhuǎn)換時(shí)間是很快的，一般為50500ns；輸出形式是電壓時(shí)，轉(zhuǎn)換器的主要建立時(shí)間是運(yùn)算放大器輸出所需的時(shí)間，約為110 s。精度 D/A轉(zhuǎn)換器的精度有絕對(duì)精度和相對(duì)精度兩種。在選擇D/A轉(zhuǎn)換器時(shí)，一般主要考慮絕對(duì)精度，這是指DA轉(zhuǎn)

19、換器輸出信號(hào)的實(shí)際值與理論值的誤差，它包括非線性。零點(diǎn)、增益、溫度漂移等項(xiàng)誤差。 0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器（3）ADC、DAC與微處理器接口 ADC在每一次轉(zhuǎn)換結(jié)束后，需要通過(guò)接口將轉(zhuǎn)換結(jié)果輸人到做人理器中，微處理器的數(shù)據(jù)輸出通常也需要通過(guò)DAC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出模擬量信號(hào)，因此接口的設(shè)計(jì)是智能式傳感器設(shè)計(jì)重要的一環(huán)。鑒于微處理器的接口技術(shù)已成為一門重要的專業(yè)課程，本章不再作介紹，感興趣者可參考這方面的書籍。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器1212.2.2.2 2 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) 智能式傳感器除了已經(jīng)介紹的各種硬件組成之外，還有一個(gè)起支配地位并十分重要

20、的軟件部分。軟件是智能式傳感器的靈魂和大腦，軟件設(shè)計(jì)的好壞直接影響到智能式傳感器的功能及硬件作用的發(fā)揮。 智能式傳感器的軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩種。所謂系統(tǒng)軟件就是管理微處理器本身的程序，如操作系統(tǒng)、自檢及監(jiān)控系統(tǒng)等，一般由微處理器廠家提供。而應(yīng)用軟件則是面向用戶的程序，由設(shè)計(jì)人員根據(jù)智能式傳感器的實(shí)際需要進(jìn)行編制。智能式傳感器的軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 1軟件設(shè)計(jì)思想 常用的軟件設(shè)計(jì)思想有三種：模塊化程序設(shè)計(jì)、自頂向下程序設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)。 （1）模塊化程序設(shè)計(jì) 把一個(gè)復(fù)雜的軟件，分解為若干個(gè)程序段，這段程序完成單一的功能，

21、并且具有一定的相對(duì)獨(dú)立性，稱之為“模塊”，這種設(shè)計(jì)思想稱之為模塊化程序設(shè)計(jì)。智能式傳感器的軟件設(shè)計(jì)可按功能分塊，如數(shù)據(jù)采集功能、數(shù)據(jù)運(yùn)算功能、邏輯判斷功能、故障報(bào)警功能等。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器在劃分模塊時(shí)，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：一、每個(gè)模塊不宜太長(zhǎng)，太長(zhǎng)就失去了模塊程序設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，但也不要太短，通常2050行的程序段較合適；二、力求使模塊之間互相獨(dú)立，盡量限制模塊之間的信息交換，以利于模塊的調(diào)試；三、盡量利用已有的成熟的程序模塊，如加、減、乘、除、開方、標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)、延時(shí)程序、顯示程序等。模塊化程序設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是程序容易編寫、查錯(cuò)和調(diào)試，也容易理解。缺點(diǎn)是有些程序難于模塊化

22、及有些模塊需要調(diào)用其他模塊，使模塊之間互有影響。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 （2）由頂向下程序設(shè)計(jì) 由頂向下程序設(shè)計(jì)，又稱為構(gòu)造性編程，實(shí)質(zhì)上是一種逐步求精的方法，也稱為系統(tǒng)性編程或分層設(shè)計(jì)。由頂向下的思想就是把整個(gè)問(wèn)題劃分為若干個(gè)大問(wèn)題，每個(gè)大問(wèn)題又分為若干個(gè)小問(wèn)題，這樣一層層地劃下去，直到最底層的每個(gè)任務(wù)都能單獨(dú)處理為止。這是程序設(shè)計(jì)的一種規(guī)范化形式。在由頂向下程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于每一個(gè)程序模塊，應(yīng)明確規(guī)范其輸人、功能和輸出。 （3）結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì) 如何使各個(gè)模塊截然分開，防止它們相互作用呢？如何編寫一個(gè)層次分明的程序，便于調(diào)試和修改錯(cuò)誤呢？這就需要采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)

23、的思想。 0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想，給程序設(shè)計(jì)施加了一定的約束，它限定必須采用規(guī)定的基本結(jié)構(gòu)和操作順序。任何程序由層次分明、易于調(diào)試的若干個(gè)基本結(jié)構(gòu)組成。這些基本結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)是在結(jié)構(gòu)上信息流只有一個(gè)人口和一個(gè)出口。基本結(jié)構(gòu)有下面三種： 順序結(jié)構(gòu) 順序結(jié)構(gòu)的框圖如圖123（a）所示。在這種結(jié)構(gòu)中，程序按順序連續(xù)地執(zhí)行，即先執(zhí)行P1，然后執(zhí)行P2，最后執(zhí)行P3。其中，P1、P2、P3可以是一條簡(jiǎn)單的指令，也可以是一段完整的程序，它們都只有一個(gè)人口和一個(gè)出口。 條件結(jié)構(gòu) 條件結(jié)構(gòu)的框圖如圖123（b）所示。盡管判斷部分（即校形框）可以有多個(gè)出口，但是整個(gè)

24、條件結(jié)構(gòu)最終也只有一個(gè)人口和一個(gè)出口。 0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 循環(huán)結(jié)構(gòu) 循環(huán)結(jié)構(gòu)的框圖如圖123（c）所示。該結(jié)構(gòu)能多次執(zhí)行同一循環(huán)程序P，信息流從單一人口進(jìn)人此結(jié)構(gòu)后，一直停留在此結(jié)構(gòu)中，直至終止條件滿足，才從單二出口退出此結(jié)構(gòu)。 0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器2數(shù)據(jù)處理算法 在智能式傳感器中，軟件的最主要功能是完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)。數(shù)據(jù)的涵義是十分廣泛的，智能式傳感器的數(shù)據(jù)主要是指輸人非電量。輸出電量、誤差量、特征表格等。數(shù)據(jù)處理的功能主要包括以下幾個(gè)部分：算術(shù)和邏輯運(yùn)算調(diào)檢索與分類；非線性特性的校正修誤差的自動(dòng)校準(zhǔn)及自診斷；數(shù)字濾波等。其中算術(shù)與

25、邏輯運(yùn)算是微處理器最基本的功能，在微處理器手冊(cè)中都有詳細(xì)介紹，因此，本書只對(duì)后4種功能進(jìn)行介紹。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器（1）檢索與分類 在智能式傳感器設(shè)計(jì)中，為了提高傳感器的精度，常常需要將傳感器在部分或全部量程范圍內(nèi)的輸人、輸出數(shù)據(jù)以表格的形式儲(chǔ)存在ROM或EPROM中，這時(shí)就需要查表算法。檢索與分類就是實(shí)現(xiàn)查表的算法。 所謂檢索就是查明某一給定數(shù)據(jù)（常稱為關(guān)鍵字）是否存在于表格之中，若存在，則進(jìn)一步查明其具體位置。線性檢索是一種最基本、最簡(jiǎn)單的檢索方法，它是從表格的第一個(gè)單元開始，逐個(gè)取出表格存儲(chǔ)單元的內(nèi)容與關(guān)鍵字相比較，直到找到兩者相同為止；或者當(dāng)表格中不存在該

26、關(guān)鍵字時(shí)，則一直查找到表格的末端才結(jié)束。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 線性檢索的程序流程圖如圖124所示。該程序以BC寄存器記錄表格單元的總數(shù)，以HL寄存器作表格地址指針。若檢索成功屈u將找到元素的表地址送人HL，并將該元素的序號(hào)送人累加器A。若未找到與關(guān)鍵字內(nèi)容相同的單元，則將標(biāo)志FFH送人累加器。線性檢索法的優(yōu)點(diǎn)是程序簡(jiǎn)單并且對(duì)有序表和無(wú)序表均適用。缺點(diǎn)是檢索比較次數(shù)太多，檢索時(shí)間長(zhǎng)。因此，線性檢索一般適用于表格元素較少的情況。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器（2）非線性特性的校正 許多傳感器的輸出信號(hào)與被

27、測(cè)參數(shù)間存在明顯的非線性，為提高智能式傳感器的測(cè)量精度，必須對(duì)非線性特性進(jìn)行校正，使之線性化。線性化的關(guān)鍵是找出校正函數(shù)，但有時(shí)校正函數(shù)很難求得，這時(shí)可用多項(xiàng)式函數(shù)進(jìn)行擬合或分段線性化處理。 校正函數(shù) 假設(shè)傳感器的輸出為y，輸入為x，yf（x）存在非線性，現(xiàn)計(jì)算下列函數(shù) (121)0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器使R與x之間保持線性關(guān)系，函數(shù)g（y）便是校正函數(shù)。 例如，半導(dǎo)體二極管檢波器的輸出電壓uo與被測(cè)輸人電壓ui成指數(shù)關(guān)系 （122） 式中a為常數(shù)。為了得到線性結(jié)果，微處理器必須對(duì)數(shù)字化后的輸出電壓進(jìn)行一次對(duì)數(shù)運(yùn)算：Rlnuoui，使R與ui間存在線性關(guān)系。 曲線擬合法

28、校正 曲線擬合的理論表明：某些自變量x與因變量y之間的單值非線性關(guān)系，可以用自變量x的高次多項(xiàng)式來(lái)逼近，即0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 （123） 其中a0，a1，a2，an是待求的擬合系數(shù)。通常用最小二乘法來(lái)求以上系數(shù)，也就是使殘差平方和 為最小值，其中i為第i個(gè)實(shí)際數(shù)據(jù)與擬合曲線上相應(yīng)值之間的殘差，由此可得出曲線擬合的經(jīng)驗(yàn)公式： 20nii0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器式中：只要求解出上述由n1個(gè)方程構(gòu)成的方程組，就可得到擬合多項(xiàng)式的系數(shù)a0，a1，a2，an。 （12124 4）0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器分段線性化與線性插值 對(duì)

29、于一個(gè)已知函數(shù)yf（x）的曲線，可按一定的要求將它分成若干小段，每個(gè)分段曲線用其端點(diǎn)連成的直線段來(lái)代替，這樣就可在分段范圍內(nèi)用直線方程來(lái)代替曲線，從而簡(jiǎn)化計(jì)算。對(duì)每一個(gè)分段，如（xi，xi1），直線與實(shí)際曲線上的點(diǎn)只是在兩個(gè)端點(diǎn)上是重合的；對(duì)于xi1xxi的一切點(diǎn)，它們的值都不是曲線上的真實(shí)值，而是根據(jù)下面的直線方程計(jì)算得到的，所以稱這種方法為線性插值。 （125） 或簡(jiǎn)化為 （126） 其中ki（yi1yi）/（xi1xi）為第i段直線的斜率；（x0，y0），（x1，y1），（xn，yn）為曲線上各分段點(diǎn)的自變量和函數(shù)值。 0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 由式（126）可知

30、，ki，xi，yi都是按函數(shù)特性預(yù)先確定的值，可作為已知常數(shù)存于微處理器的指定存儲(chǔ)區(qū)。若要計(jì)算與某一輸人X相對(duì)應(yīng)的y值，須首先按工值檢索其所屬的區(qū)段，從常數(shù)表查得該區(qū)段的三個(gè)常數(shù)ki，xi，yi，從而可計(jì)算得式（126）所對(duì)應(yīng)的輸出y。 該方法是查表與計(jì)算的有效結(jié)合。這里，分段點(diǎn)的選取是一個(gè)重要問(wèn)題；分段數(shù)越多，則逼近精度越高，但同時(shí)所占計(jì)算機(jī)內(nèi)存單元也越多，此外，還會(huì)大大增加在分段常數(shù)準(zhǔn)備及存儲(chǔ)方面的工作量。因此，應(yīng)該根據(jù)傳感器的精度要求合理地選取分段點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，分段可以是不等距的，曲率半徑小的段落分段可密一些，曲率半徑大的段落分段可稀疏一些。 （3）誤差的自動(dòng)校準(zhǔn)及自診斷0755-第第1

31、2章章 智能式傳感器智能式傳感器 借助微處理器的計(jì)算能力，可自動(dòng)校準(zhǔn)由零點(diǎn)電壓偏移和漂移、各種電路的增益誤差及器件參數(shù)的不穩(wěn)定等引起的誤差從而提高傳感器的精度，簡(jiǎn)化硬件并降低對(duì)精密元件的要求。自動(dòng)校準(zhǔn)的基本思想是儀器在開機(jī)后或每隔一定時(shí)間自動(dòng)測(cè)量基準(zhǔn)參數(shù)，如數(shù)字電壓表中的基準(zhǔn)電壓或地電位等，然后計(jì)算誤差模型，獲得并存儲(chǔ)誤差因子。在正式測(cè)量時(shí)，根據(jù)測(cè)量結(jié)果和誤差因子，計(jì)算校準(zhǔn)方程，從而消除誤差。 自診斷程序步驟一般可以有兩種：一種是設(shè)立獨(dú)立的“自檢”功能，在操作人員按下“自檢”按鍵時(shí)，系統(tǒng)將按照事先設(shè)計(jì)的程序，完成一個(gè)循環(huán)的自檢，并從顯示器上觀察自檢結(jié)果是否正確；另一種可以在每次測(cè)量之前插入一段

32、自檢程序，若程序不能往下執(zhí)行而停在自檢階段，則說(shuō)明系統(tǒng)有故障。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器（4）數(shù)字濾波 所謂數(shù)字濾波，就是通過(guò)一定的計(jì)算程序降低干擾在有用信號(hào)中的比重。與模擬濾波器相比，數(shù)字濾波的優(yōu)點(diǎn)在于：通過(guò)改變程序，就可方便靈活地調(diào)整參數(shù)；可以對(duì)極低頻率的信號(hào)（如0.01Hz）實(shí)現(xiàn)濾波；不需要增加硬件設(shè)備，各通道可選用同一數(shù)字濾波程序。對(duì)于簡(jiǎn)單的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)可采用基于算術(shù)平均值法的平滑濾波器和一階數(shù)字濾波器等；對(duì)于比較復(fù)雜的濾波器可采用模擬化設(shè)計(jì)方法。 模擬化設(shè)計(jì)法以模擬濾波器理論為基礎(chǔ)。從模擬濾波器理論知道，無(wú)論是低通濾波器還是高通濾波器，都可以分為幾種不同類型，

33、如巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器、貝塞爾濾波器等。同樣都是低通濾波器，巴特沃斯低通濾波器的通帶特性最平、切比雪夫低通濾波器高頻段衰減最快、貝塞爾低通濾波器則具有線性相移特性。濾波器類型不同，要求的傳遞函數(shù)的系數(shù)也不相同。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器（127）其中G，b0，b1，bn1為待定系數(shù)。高通濾波器的傳遞函數(shù)為：（128）其中G，a0，a1，an1為待定系數(shù)。帶通濾波器的傳遞函數(shù)為： （129） 低通濾波器的傳遞函數(shù)為：低通濾波器的傳遞函數(shù)為：0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器其中 ，G，b0，b1，bn1為待定系數(shù)，0為通帶中心角頻率，Bs為帶寬。 根

34、據(jù)模擬化設(shè)計(jì)法，數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)步驟如下 根據(jù)要求的濾波器性質(zhì)（低通、高通、帶通等），決定濾波器的傳遞函數(shù)形式。 根據(jù)要求的濾波器特性（通帶特性。截止頻率、通帶外的衰減速度、相移特性等），選取濾波器類型、階次并決定相應(yīng)的傳遞函數(shù)的系數(shù)。 將所得到的濾波器的模擬傳遞函數(shù)離散化，得到相應(yīng)的差分方程。 根據(jù)差分方程編寫數(shù)字濾波程序。220sspB0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 智能式應(yīng)力傳感器用于測(cè)量飛機(jī)機(jī)翼上各個(gè)關(guān)鍵部位的應(yīng)力大小，并判斷機(jī)翼的工作狀態(tài)是否正常以及故障情況。如圖126所示，它共有6路應(yīng)力傳感器和二路溫度傳感器，其中每一路應(yīng)力傳感器由4個(gè)應(yīng)變片構(gòu)成的全橋電路和前級(jí)放

35、大器組成，用于測(cè)量應(yīng)力的大小。溫度傳感器用于測(cè)量環(huán)境的溫度從而對(duì)應(yīng)力傳感器進(jìn)行溫度誤差修正。采用8031單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理和控制單元。多路開關(guān)根據(jù)單片機(jī)發(fā)出的命令輪流選通各個(gè)傳感器通道，0通道為溫度傳感器通道，16通道分別為6個(gè)應(yīng)力傳感器通道。程控放大器則在單片機(jī)的命令下分別選擇不同的放大倍數(shù)對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行放大。第三節(jié)第三節(jié) 傳感器的智能化實(shí)例傳感器的智能化實(shí)例0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 智能式應(yīng)力傳感器具有測(cè)量、程控放大、轉(zhuǎn)換、處理、模擬量輸出、打印、鍵盤監(jiān)控以及通過(guò)串行口與上位微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊的功能。其軟件采用模塊化和結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法，軟件結(jié)構(gòu)如圖127所示。主程序

36、模塊主要完成自檢、初始化。通道選擇、以及各個(gè)功能模0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器塊調(diào)用的功能。其中信號(hào)采集模塊主要完成各路信號(hào)的放大、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)讀取的功能。數(shù)據(jù)處理模塊主要完成數(shù)據(jù)濾波、非線性補(bǔ)償、信號(hào)處理、誤差修正以及檢索查表等功能。故障診斷模塊的任務(wù)是對(duì)各個(gè)應(yīng)力傳感器的信號(hào)進(jìn)行分析，判斷飛機(jī)機(jī)翼的工作狀態(tài)以及是否有損傷或故障存在。鍵盤輸人及顯示模塊 0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 的任務(wù)一是查詢是否有鍵按下，若有鍵按下則反饋給主程序模塊，從而主程序模塊根據(jù)鍵義執(zhí)行或調(diào)用相應(yīng)的功能模塊，二是顯示各路傳感器的數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)（包括按鍵信息）。輸出及打印模

37、塊主要是控制模擬量輸出以及控制打印機(jī)完成打印任務(wù)。通訊模塊主要控制RS232串行通訊口和上位微機(jī)的通訊。圖128為信號(hào)采集模塊的程序流程圖。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器1212.4.1 .4.1 智能傳感器的概述智能傳感器的概述 智能傳感器英文名稱為 Intelligent Sensor或 Smart Sensor。智能傳感器是“電五官”與“微電腦”的有機(jī)結(jié)合，對(duì)外界信息具有檢測(cè)。邏輯判斷、自行診斷、數(shù)據(jù)處理和自適應(yīng)能力的集成一體化多功能傳感器。這種傳感器還具有與主機(jī)互相對(duì)話的功能，也可以自行選擇最佳方案。它還能將已取得的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高速度、高精度的傳

38、輸。第四節(jié)第四節(jié) 智能傳感器智能傳感器0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器1212.4.2 .4.2 智能傳感器的典型簡(jiǎn)介智能傳感器的典型簡(jiǎn)介 目前已投人使用的微電腦型智能傳感器，主要有多路光譜分析傳感器。這種傳感器采用硅CCD（電荷耦合器件）二元陣列作攝像儀，結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)和微處理器共同構(gòu)成一個(gè)不可分割的整體，其結(jié)構(gòu)如圖129所示。它可以裝在人造衛(wèi)星上對(duì)地面進(jìn)行多路光譜分析。測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)直接由CPU進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)處理，然后輸送出有關(guān)地質(zhì)、氣象等各種情報(bào)。 0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器以硅為基礎(chǔ)的超大規(guī)模集成電路技術(shù)正在加速發(fā)展并日臻成熟，三維集成電路已成為現(xiàn)實(shí)

39、。目前日本已開發(fā)出三維多功能的單片智能傳感器，它已將平面集成發(fā)展為三維集成，實(shí)現(xiàn)了多層結(jié)構(gòu)，如圖1210所示。它將傳感功能、邏輯功能和記憶功能等集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，反映了智能式傳感器的發(fā)展方向。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器1212.5.1 .5.1 智能結(jié)構(gòu)的概念和作用智能結(jié)構(gòu)的概念和作用 近幾年來(lái)，智能傳感技術(shù)與智能致動(dòng)技術(shù)以及敏感材料本身越來(lái)越結(jié)合成為一個(gè)整體，形成了當(dāng)前傳感技術(shù)領(lǐng)域和材料領(lǐng)域的一個(gè)新熱點(diǎn)，這就是智能結(jié)構(gòu)技術(shù)。 智能結(jié)構(gòu)（Smart Structure）又稱智能材料結(jié)構(gòu)。這一概念最早源于這樣的思想：讓材料本身就具有自感知、自診斷、自適應(yīng)的智能功能，即

40、材料本身就是一個(gè)智能式傳感器，無(wú)需再為測(cè)量材料的各種物理量而外接大量傳感器。第五節(jié)第五節(jié) 智能結(jié)構(gòu)智能結(jié)構(gòu)0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 智能結(jié)構(gòu)可如下定義：將具有仿生命功能的敏感材料或傳感器、致動(dòng)器以及微處理器以某種方式集成于基體材料中，使制成的整體材料構(gòu)件具有自感知、自診斷、自適應(yīng)的智能功能。圖1211為一種典型的智能結(jié)構(gòu)，它把傳感元件、致動(dòng)元件以及信息處理和控制系統(tǒng)集成于基體材料中，使制成的構(gòu)件不僅具有承受載荷、傳遞運(yùn)動(dòng)的能力，而且具有檢測(cè)多種參數(shù)的能力（如應(yīng)力、應(yīng)變、損傷、溫度、壓力等），并在此基礎(chǔ)上具有自適應(yīng)動(dòng)作能力從而改變結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變分布、結(jié)構(gòu)外形和位置，或

41、控制和改變結(jié)構(gòu)的特性，如結(jié)構(gòu)阻尼、固有頻率、光學(xué)特性、電磁場(chǎng)分布等。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器智能結(jié)構(gòu)一般可分成兩種類型，即嵌人型和本征型。前者是在基體材料中嵌人具有傳感、致動(dòng)和控制處理功能的三種原始材料或元件，利用傳感元件采集和檢測(cè)結(jié)構(gòu)本身或外界環(huán)境的信息，控制處理器則控制致動(dòng)元件執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作；后者指材料本身就具有智能功能，能夠隨著環(huán)境和時(shí)間改變自己的性能，例如自濾波玻璃等。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器1212.5.2 .5.2 智能結(jié)構(gòu)的組成智能結(jié)構(gòu)的組成 智能結(jié)構(gòu)由三個(gè)功能單元組成：傳感器單元、致動(dòng)器單元、信息處理及控制單元。智能結(jié)構(gòu)的最高級(jí)形式，不僅具有集成的傳感元件和致動(dòng)元件，而且實(shí)現(xiàn)信息處理和控制功能的微處理器和信號(hào)傳輸線以及電源等都集成在同一母體結(jié)構(gòu)中。 1傳感器單元傳感器單元 傳感器單元的作用是感受結(jié)構(gòu)狀態(tài)（如應(yīng)變、位移）的變化，并將這些物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以便處理和傳輸，它是智能結(jié)構(gòu)的重要組成部