传感器的发展方向-网络化智能传感器

2006-05-07 15:49:33来源: 电子技术应用

硅微电子技术的成熟使得在单个芯片中实现复杂结构的微电子机械系统成为现实,也给传感器的微型化提供了基础。同时采用了IC技术将信号处理和控制电路集成了到单个的芯片中,大大提高了传感器的性能并扩展了传感器的功能,即实现所谓的智能化。同过去的IC技术给经济技术带来的的影响一样,这种集成技术的应用的同样经济和技术发展带来新的机遇。对于传感器来说,不仅是简单的改变了加工制造的方法,同时对传统的基一传感器测量的控制系统的的设计也带来了深刻的影响。并且对传感器本身的设计的方法也带来了变革,使得传感器的设计的测量控制系统的设计及构成变得简单容易。与传统的系统相比,更加可靠、便宜,并且扩展性更好。很显然,这些特的实现主要得益于在传感器内部嵌入微处理芯片。与传统的传感器输出模拟原始信号不同,这种传感器可以在内总实现对原始数据的加工处理。并可以通过标准的接口与外界实现数据交换,从而实现了传感器的智能化。更为重要的是这种智能哗传感器可以根据实际的需要通过软件控制改变设计,给系统的扩带来了很大的发展余地,减少了研发费用。

从使用角度来说,传感器的准确性、稳定性和可靠性是主要的。过去的研究工作主要集中在硬件方面,研究内容主要有探测机理、材料、制造工艺,以及传感器的补偿方法。通过外部电路来研究实现传感器的校准、温度补偿,改善传感器的漂移、线性的性待方面。因此总体来说传统的传感器设计要求经验丰富的工程师能够根据实际的需要来完成。这给测量系统中所使用的传感器数量带来一定的限制。因为这种传感器任何一个功能的扩展在硬件上需要相应的空间。多功能的传感器系统受到空间的限制,且性能上同样受到后续处理电路(滤波、调零、补偿等)制约。总体来说,这种硬件上的限制,使得单个的系统中传感器使用数量有限,无法实现一些相关量的测量。为了保证系统的性能,需要增加更多的处理电路。比如说温度补偿,需要在传感器的研制过程中经过大量的实验来保证,且其中的电路是专用的,无法将其直接移植应用到其他的传感器中去。增加了传感器开发人员的工作,使得传感器价格昂贵。同样的道理,这种专用的传感器的使用,将使测量系统的功能很难扩展。其维护和修理同样需要专门技术人员来无成,代价较高,无疑也增加了系统的维护成本。

基于半导体技术的传感器将改变了这种现状,其所提供的价格便宜、使用方便的传感器,特别是传感器本身的智能化更加方便系统和集杨。并使得在计算机辅助设计的帮助下完成系统的开发,实现更加复杂的功能。与传统的设计相比,不同的应用系统无须采用不同的传感器。可以在单一的传感器基础上通过软件设计来改变传感器的功能,以满足不同客户的需求。这样,低成本、大批量的智能传感器可以快捷、低成本的实现系统设计、维护或功能扩展。从在改变过去传感器仅仅应用在工业、军事及自动轮控制等领域的情况。更加方便用户的使用,扩大其应用范围。现在温度传感器已经广泛应用到家用电器中,这仅仅是开始。随着更多使用方便的传感器投入市场,更多的关于家庭安全、报警、环境监测等方面的的传感器将进入普通的家庭。

本文将根据智能传感器的特点给出智能传感器的设计方法,并将其与一般传感器的系统结构和设计方法相比,分析其优点。在此基础上,指出智能网络化传感器将是未来传感器发展的必然方向,给出智能网络化的传感器的内部结构模型和基于现场总线网络、Internet网络的测量控制系统模型。

1 什么是智能传感器

智能传感器一词是从国外首先提出 ,其英文名词为“Smart Sensor”或“Intelligent Sensor”。自从这个概念提出以来,就有很多种不同的定义,争论较大,理解的角度不同,看法相应不一,但现在对这个问题基本上已经达成了一定的共。一般来说,智能传感器是能够实现对传感器的原始数据进行加工处理,而并非仅仅是将模拟信号。根据EDC(Eletronic Development Corporation)的定义,智能传感器应具备如下的特征:

可以根据输入信号值进行判断和制定的决策

可以通过软件控制作出多种的决定

可以与外部进行信息交换,有输入输出接口

具有自检测、自修正和自保护功能

毫无疑问,上面这些特征是智能传感器应具备的。从这些特征来看,其中有相妆一部分以前是属于一个仪器所应具有的功能,从这点看来,“仪器”和“传感器”的界限已不是十分明显。作者认为。“智能传感器”是一个动态的概念,就象“计算机”概念一样。现在“计算机”这个名词的含义早已没与六十年代计算机刚铡出现时所包括的内容,无论在功能上还是从特性上早已改变了当初的意义。现在计算(calculate)仅仅是其简单的一个部分,它可以实现信息交换、文字排版、辅助设计、控制等一系列的功能,这种内涵的扩展是基于两个方面:硬件上的进步和软件设计上的发展。现在如果说具有计算功能的机器都认为是计算机,很显然是不合理的。

上面所提到的定义和特性是现阶段智能传感器的基本特点。实际上,所谓的智能传感器并非是简单的单片机嵌入传感器中将模拟信号转换为数字信号,其实际所包括的内容要广泛得多。从智能传感器的概念产生和发展历史来看,其经历一个内涵不断丰富的过种。即是传统意义上的智能传感器也并不具备这种功能。正如上面所提到的,在80年代,将信号处理电路(滤波、放大、调零)与传感器设计在一起,输出0-5V电压或4-20mA电流,这样的传感器即为娄时意义上的“智能传感器”;在80年代未期到90年代中后期,随着单片机技术的发展,将单片微处理嵌入传感器中实现温度补偿、修正、校准,同时A/D变换器直接将原来的模拟信号转换数字信号,这样一来钭“智能传感器”所包含的含义推进一步。这种类型的传感器在设计方法上已开始有所转变,不再象以前是简单的硬件构成,需要通过软件对信呈进行简单处理,相应输出的信号是数字信号;自“现场部线”概念提出以后,基于现场总线的测量控制系统得到了广泛的应用,相应对传感器的设计又提出了新的要求。从发展的角度看,未来单个传感器独立使用的场合将越来越少,更多的是多传感器系统的应用以实现多参数的测量和多对象的控制。测量和控制信息的交换在底层主要是通过现场部线来完成。数据交换主要是通过Intranet等网络来实现。为了满足这种多传感器之间的信息交换,传感器设计上软件占主要的地位,通过软件将传感器将内总各个敏感单元或与外部的智能传感器单元联系在一起。软件对象不再是以前的单个的对象,而是整个系统,其输出的数字信号是符合某种协议格式的。从而可要实现传感器与传感器之间、传感器与执行器之间、传感器与系统之间的数据交换和共享。因此智能网络化是传感器未来发展方向。

2 智能网络化传感器及其系统的结构

从原理结构来上看来,智能传感器结构可以用图1所示框图来表示。

从上面的框图可以发现,一般意义上的传感器(即敏感单元)在智能传感器中仅仅占很少的一部分,信号处理电路占主要部分。与普通传感器相比,智能传感器将传感器使用过程中所涉及到所有问题都包括了。例如图1所示的灵敏度、零点漂移、标定等,即使是单物理测量传感器,也必须有标准的接口获取所需要的信息(如温度、湿度等)以实现对被测物理量的标定和校准。在很多场合,加上输出显示单元,这种单智能传感器系统已经涵盖了传统的仪表概念。

基于分布智能传感器的测量控制系统是由一定的网络将各个控制节点、传感器节点及中央控制单元共同构成。其中传感器节点是用来实现参数测量并将数据传送给网络中的其他节点;控制节点是根据需要从网络中获取需要的数据并根据这些数据制订相应的的控制方法和执行控制输出。在整个系统中,每个传感器节点和控制节点数目可多可少,根据要求而定。网络的选择可以是传感器总线、现场总线,也可以是企业内部的Ethernet,也可以直接是Internet。一个智能传感器节点是由三部分构成:传统意义上的传感器、网络接口和处理单元。根据不同的要求,这三个部分可以是采用不同芯片共同组成合成式的,也可以是单片式的。首先传感器将被测量物理量转换为电信号,通过A/D转化为数字信号,经过微处理器的数据处理(滤波、校准)后将结果传送给网络,与网络的数据交换不网络接口模块完成。

控制节点由微处理器、网络接口及人机接口是输入输出设备组成。用来收集传感器节点所发送来的信息,并反馈给用户和输出到执行器,以实现一定的输出。

将所有的传感器连接在一个公共的网络上。为保证所有的传感器节点和控制节点能够实现即插即用,必须保证网络中所有的节点能够满足共同的协议。无论是硬件还是软件都必须满足一定的要求,只要符合协议标准的节点都能够接入系统。因此为了保证这种即插即用的功能,智能传感器节点内部必须包含微处理芯片和存储器。一方面用来存储传感器的物理特征:偏移、灵敏度、校准参数,甚至传感器的厂家信息(维护等),另一方面用来实现数据的处理和补偿,以及输出校准。由于这些功能的实现是在每个传感器内部完成,相应的内部参数在传感器出厂的进候已经写入内部寄存器中固定的单元,因此在更换和增加的节点的时候,无须对传感器进行标定、校准。

在很多的情况下,微处理器需要根据实际的需要对传感器的输入进行处理和变换。

3 设计方法和智能传感器的研究领域

智能传感器系统的实现是在传感器技术、计算机技术、信号处理、网络控制等技术的基础上发展起来的,并随这些技术的发展而发展,但不是这此技术的简单合成。无论是微处理器还是网络技术,都不是原来一般技术简单的合成,下面针对网络化传感器系统所涉及的一些问题进行分析。

首先,系统构成。从计算机角度来看,一般计算机系统所处理的数据是数字信号,且是直接通过外部设备输入的,这些信号本身会受到外部设备限制。但是对于传感器系统来说所面对的是与外界环境相关的模拟信号,信号与外界的一些物理量相关。这意味着信号的存在和信号的出现是受到环境限制的,为了满足控制实时性的需要,信号的采样必须保证实时性。

其次,信号处理方法。在网络化使用环境中,即插即用是对网络中的每个设备最基本的要求。但是由于每个被测物理量通过传感器时输入输出的关系是不定的,有些上线性的,但更多的是非线性的,必须保证系统能够准确识别被测对象,一方面要能够确定探测器信号的位置,另一方面要能够确定传感器输入输出之间的关系以及物理量(一般被测物理量和传感器输出物理量不一定一样。例如是电容式压力传感器输入为压力,输出为电容)。这类似于传统传感器设计时涉及到的标定问题,但是不完全一样。因为一般传感器设计中无须考虑输入输出物理量,仅仅只考虑它们之间的关系。

再次,需要考虑外部接口。从网络化智能传感器的应用来说,其一般使用在自动化现场的测量控制级,相互之间需要通过现场部线连接在一起。对于不同的应用场合,现在已经有很多不同的总线标准协议。要保证所设计的传感器完全满足这些协议比较困难,这就必须考虑接口问题。这是智能网络化传感器与普通传感器最大的区别。

最后,软件工具的开发。由于过去传感器完全是由硬件所组成,因此研究的对象主要局限在传感机的理、材料、结构、工艺等物理方面。而智能传感器的智能性则是在硬件的基础上通过软件实现其价值的,软件在智能传感器中占据了主要的成分。而且智能化的程度是与软件的开发水平成正比的,相信在不久的将来,基于计算机平台完全通过软件开发的虚拟传感器会有十分广泛的应用。软件开发工具包括设计、管理和通讯管理等不同方面。目前这类工具已经开始出现,一般C,Labview,ActiveX等工具软件都可以完成。软件的功能主是与软件的开发水平成正比的,用以实现传感器模型建立、标定参数建立、最佳标定模型选择等。

尽管智传感器的构成方法并非在所有有场合使用都是合理的,但在许多的应用中,其相对与传统传感器的优点是无法抗拒的。在大多数情况下,智能传感器价格便宜、使用方便、性能优越、维护简单、功能扩展容易的优点是传统传感器无法比拟的。特别是在一些应用的传感器较多的场合,无疑智能传感器是最为合理的选择。

目前来说,考虑投资因素,由于在过程测量控制领域中系统设计寿命一般都有几十年,尽管传统所使用的测量控制主要地模拟量传输的,而符合现场总线网络标准的智能传感器有很多优点,但是更换这些传感器执行器要花费很多的时间和增加很大的投资,这种系统还会存在相当长的一段时间。过去这类系统功能的扩展比较困难,因此多种系统共存的局面将维持一段时间。近两年IEEE1451.4标准工作组已经开始着手进行智能传感器与网络之间的模拟传输接口标准。其主要是针对传统以模拟量传输为基础的系统而订制的一种与网络之间接口标准。如果标准得到通过,并有相应的硬件支持,对于这些系统来说,其系统功能的扩展将变得更加简单。

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