传感器的发展方向——网络化智能传感器

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 较 ，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 。
器应具备如下的特征：
间 、传 感 器 与 系 统 之 间 的 数 据 交 换 和 共 享 。 因 此 智 能
·可 以 根 据 输 入 信 号 值 进 行 判 断 和 制 定 决 策
网络化是传感器的未来发展方向。
·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
! 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“ Intellhgent 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 样 。 但 现 在 对 这 个 问 题 基 本 上 已 经 达 成 了 一 定 的 共 识 。 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
基于半导体技术的传感器将改变这种现状，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的集成。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 的 设 计 、维 护 或 功 能 扩 展 。从 而 改 变 过 去 传 感 器 仅 仅 应 用 在 工 业 、军 事 及 自 动 化 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 传 感 器 将 进 入 普 通 家 庭 。
! 智能网络化传感器及其系统的结构 从原理结构上看来，智能传感器结构可以用图 1
所示框图来表示。
的 。 从 这 些 特 征 看 来 ，其 中 有 相 当 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 不 同 与 六 十 年 代 计 算 机 刚 刚 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（ cal-
专家论谈
传感器的发展方向———网络化智能传感器
合 肥 中 国 科 学 院 智 能 机 械 研 究 所 传 感 器 技 术 国 家 重 点 实 验 室（ 230031 ） 吴仲城 戈 瑜 虞承端 方廷健
摘 要 ： 从 智 能 传 感 器 的 发 展 历 史 ，对 智 能 传 感 器 的 内 涵 进 行 了 定 义 。分 析 了 智 能 传 感 器 的 特 点 ， 指 出 与 传 统 传 感 器 及 其 所 构 成 的 系 统 相 比 ，智 能 传 感 器 及 其 系 统 的 设 计 方 法 产 生 了 深 刻 变 化 。 其 未 来 发 展 方 向 是 智 能 网 络 化 ，与 传 统 的 仪 器 仪 表 之 间 已 经 没 有 明 显 的 界 限 。 文 章 最 后 分 析 指 出 智 能 传 感 器 的 接 口 是 传 感 器 智 能 网 络 化 的 关 键 。 标 准 I E E E 1 4 5 1 的 通 过 ，将 加 速 智 能 网 络 化 传 感 器 的 发 展 进 程 。
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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 也 只 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，使得传感器的价格昂贵。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的技术人员来完 成 ，代 价 较 高 ，无 疑 也 增 加 了 系 统 的 维 护 成 本 。
《电子技术应用》2001 年第 2 期
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非 仅 仅 是 将 模 拟 信 号 转 换 为 数 字 信 号 。 根 据 EDC 系 统 ，其 输 出 的 数 字 信 号 是 符 合 某 种 协 议 格 式 的 。 从
（ Electronic Development Corporation ）的 定 义 ，智 能 传 感 而 可 以 实 现 传 感 器 与 传 感 器 之 间 、传 感 器 与 执 行 器 之
关键词： 智能传感器 网络化 系统
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 IC 技 术 将 信 号 处 理 和 控 制 电 路 集 成 到 单 个 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 IC 技 术 给 经 济 技 术 带 来 的 影 响 一 样 ， 这 种 集 成 技 术 的 应 用 同 样 给 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 地 改 变 了 加 工 制 造 方 法 ，同 时对传统的基于传感器测量和控制系统的设计也带 来 了 深 刻 的 影 响 。并 且 对 传 感 器 本 身 的 设 计 方 法 也 带 来 了 变 革 ，使 得 传 感 器 的 设 计 和 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 性 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 部 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 化 传 感 器 可 以 根 据 实 际 的 需 要 通 过 软 件 控 制 来 改 变 设 计 ，给 系 统 的 扩 展 带 来 了 很 大 的 发 展 余 地 ，减 少 了 研 发 费 用 。
传感器数据表 E 2 PROM
电
源
ADC 信号滤波放大
微处理器 数据 D/A 交换模块 接口
控制 外部总线 模块 接口连接
数据采集 模块
culate ) 仅 仅 是 其 最 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 。 随 着 技 术 的 进 步 ， 其 所 包 括 的 内 涵 还 将 进 一 步 扩 展 ，这 种 内 涵 的 扩 展 是 基 于 两 个 方 面 ：硬 件 上 的 进 步 和 软 件
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
传感器 1
多
传感器 2
路
开
传感器 n
关
PROM 传感器特性参数 （ 漂 移 、校 准 、补 偿 ）
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征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，其经历了一个内涵不断丰富的 过程。即使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 8 0 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，这样的传感器即为当 时 意 义 上 的“ 智 能 传 感 器 ”；在 8 0 年 代 末 期 到 9 0 年 代 中 后 期 ，随 着 单 片 机 技 术 的 发 展 ，将 单 片 微 处 理 器 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 为 数 字 信 号 ，这 样 一 来 将“ 智 能传感器”所包含的含义推进了一步。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 号 进 行 简 单 处 理 ，相 应 输 出 的 信 号 是 数 字 信 号 ；自“ 现 场 总 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 过现场总线来完成。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 器内部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对象，而是整个