1、第10章 智能传感器1传感器原理及应用技术传感器原理及应用技术第第10章章 智能传感器智能传感器第10章 智能传感器210.110.110.210.2智能传感器及无线传感器网络智能传感器及无线传感器网络物联网及物联网传感器物联网及物联网传感器10.310.310.410.4智能传感器的结构框图智能传感器的结构框图信号处理与信号处理与P接口技术接口技术10.510.5 智能传感器中数据处理智能传感器中数据处理10.610.6 智能传感器的设计智能传感器的设计第10章 智能传感器3智能传感器使信息的采集与记忆、存储、综合、智能传感器使信息的采集与记忆、存储、综合、处理一体化。智能传感器及无线传感器
2、网络是未处理一体化。智能传感器及无线传感器网络是未来传感器技术的发展方向。来传感器技术的发展方向。第10章 智能传感器410.110.1智能传感器及无线传感器网络智能传感器及无线传感器网络 迅速发展的微处理机技术推动和影响着其他技术迅速发展的微处理机技术推动和影响着其他技术领域的变革。把微处理机技术引入传感器，可以领域的变革。把微处理机技术引入传感器，可以使传感器实现过去实现不了的功能，具有智能本使传感器实现过去实现不了的功能，具有智能本领，这就是新一代的传感器领，这就是新一代的传感器智能传感器智能传感器(Intelligent Sensor(Intelligent Sensor或或Smart
3、 Sensor)Smart Sensor)。 “Intelligent SensorIntelligent Sensor”是英国人对智能传感器是英国人对智能传感器的称谓，而的称谓，而“Smart SensorSmart Sensor”是美国人对智能传是美国人对智能传感器的俗称。感器的俗称。第10章 智能传感器5 在传感器中采用微处理机是构成智能传感器的关在传感器中采用微处理机是构成智能传感器的关键。图键。图10.110.1示出了这种设计的简单框图。示出了这种设计的简单框图。 10.110.1智能传感器及无线传感器网络智能传感器及无线传感器网络图图10.1将微处理机引入传感器的简单框图将微处理机
4、引入传感器的简单框图第10章 智能传感器6 如果把框图中的各部分构成一个整体，组装在同如果把框图中的各部分构成一个整体，组装在同一壳体内，那么从整体来看，就是一个智能化的一壳体内，那么从整体来看，就是一个智能化的传感器。如果把各部分通过超大规模集成电路集传感器。如果把各部分通过超大规模集成电路集成在一起，那么就构成了更高级的集成一体化的成在一起，那么就构成了更高级的集成一体化的智能传感器。智能传感器。10.110.1智能传感器及无线传感器网络智能传感器及无线传感器网络第10章 智能传感器710.110.1智能传感器及无线传感器网络智能传感器及无线传感器网络智能传感器的主要功能：智能传感器的主要
5、功能：自校零、自标定、自校正功能；自校零、自标定、自校正功能；具有自动补偿功能；具有自动补偿功能； 自动采集数据，对数据预处理；自动采集数据，对数据预处理；自动检验、自选量程、自寻故障；自动检验、自选量程、自寻故障；数据存储、记忆与信息处理功能；数据存储、记忆与信息处理功能；具有双向通讯、标准化数字输出或者符号输出具有双向通讯、标准化数字输出或者符号输出功能；功能；具有判断、决策处理功能。具有判断、决策处理功能。第10章 智能传感器810.110.1智能传感器及无线传感器网络智能传感器及无线传感器网络智能传感器的突出优点：智能传感器的突出优点：(1) (1) 研究与开发传感器的自由度大。研究与
6、开发传感器的自由度大。 (2) (2) 精度高。精度高。 (3) (3) 具有一定的可编程自动化能力。具有一定的可编程自动化能力。 (4) (4) 输出形式多。输出形式多。 (5) (5) 功能价格比大。功能价格比大。 第10章 智能传感器910.110.1智能传感器及无线传感器网络智能传感器及无线传感器网络 近几年发展起来的无线传感器网络是智能传感器近几年发展起来的无线传感器网络是智能传感器的又一深层次研究，是又一个新的飞跃。的又一深层次研究，是又一个新的飞跃。 无线传感器网络无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是计算机、通信和传感器这三项技术相结是计
7、算机、通信和传感器这三项技术相结合的产物。合的产物。 随着无线通讯技术的飞速发展与广泛应用，传感随着无线通讯技术的飞速发展与广泛应用，传感器技术正朝着多功能化、微型化、智能化、网络器技术正朝着多功能化、微型化、智能化、网络化、无线化方向发展。化、无线化方向发展。第10章 智能传感器1010.110.1智能传感器及无线传感器网络智能传感器及无线传感器网络图图10.3无线传感器网络的简略体系结构图无线传感器网络的简略体系结构图 无线传感器网络的简略体系结构图如图无线传感器网络的简略体系结构图如图10.3所示。所示。第10章 智能传感器1110.110.1智能传感器及无线传感器网络智能传感器及无线传
8、感器网络 传感器网络的基本组成单位是节点，它一般由四传感器网络的基本组成单位是节点，它一般由四个模块组成：传感模块（传感器、个模块组成：传感模块（传感器、A/D转换器）转换器）、数据处理模块（微处理器、存储器）、通信模、数据处理模块（微处理器、存储器）、通信模块（无线收发器）及电源模块（提供能源）。块（无线收发器）及电源模块（提供能源）。 节点都具有传感、信号处理和无线通信功能。节点都具有传感、信号处理和无线通信功能。第10章 智能传感器1210.110.1智能传感器及无线传感器网络智能传感器及无线传感器网络传感器节点结构：传感器节点结构： 其中传感器模块负责信息采集和数据转换；数其中传感器模
9、块负责信息采集和数据转换；数据处理模块负责整个传感器节点的操作，处理据处理模块负责整个传感器节点的操作，处理本身采集的数据和其它节点发来的数据；通信本身采集的数据和其它节点发来的数据；通信模块负责与其它传感器节点进行通信；电源模模块负责与其它传感器节点进行通信；电源模块为传感器节点提供运行所需的能量。块为传感器节点提供运行所需的能量。第10章 智能传感器1310.110.1智能传感器及无线传感器网络智能传感器及无线传感器网络传感器节点：传感器节点：传感器模块传感器模块数据处理模块数据处理模块通讯模块通讯模块电源模块电源模块第10章 智能传感器14本节要点总结本节要点总结1理解智能传感器的功能。
10、理解智能传感器的功能。2掌握无线传感器网络的结构。掌握无线传感器网络的结构。掌握智能传感器的优点。掌握智能传感器的优点。3第10章 智能传感器1510.210.2物联网及物联网传感器物联网及物联网传感器 目前，物联网及物联网传感器已成为一个新的研究目前，物联网及物联网传感器已成为一个新的研究热点。热点。物联网物联网(the Internet of Things)(the Internet of Things)也称传感网，其也称传感网，其定义是：通过射频识别定义是：通过射频识别(RFID)(RFID)、红外感应器、全球定、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，位系统、
11、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。一种网络。物联网就是物联网就是“物物相连的互联网物物相连的互联网”。第10章 智能传感器16 如果说无线传感器网络如果说无线传感器网络(WSN)(WSN)是计算机、通信和传感是计算机、通信和传感器三项技术相结合的产物，那么物联网就可看成是器三项技术相结合的产物，那么物联网就可看成是计算机、通信、射频识别、全球定位系统、互联网和计算机、通信、射频识别、全球定位系统、互联
12、网和物联网传感器多项技术相结合的产物。物联网传感器多项技术相结合的产物。 物联网的概念自物联网的概念自19991999年提出以来，越来越受到世界年提出以来，越来越受到世界各国特别是发达国家的高度重视。现在，物联网已被各国特别是发达国家的高度重视。现在，物联网已被正式列为我国五大新兴战略性产业之一，写入政府正式列为我国五大新兴战略性产业之一，写入政府工作报告。工作报告。10.210.2物联网及物联网传感器物联网及物联网传感器第10章 智能传感器17 物联网在我国受到了全社会极大的关注，许多高等物联网在我国受到了全社会极大的关注，许多高等学校相继设置了物联网工程等相关专业，着力培养学校相继设置了物
13、联网工程等相关专业，着力培养国家物联网等战略性新兴产业发展急需的物联网人国家物联网等战略性新兴产业发展急需的物联网人才。才。 作为物联网的重要组成部分，物联网传感器早已渗作为物联网的重要组成部分，物联网传感器早已渗透到诸如工业自动化、智能家居、航天航空、海洋探透到诸如工业自动化、智能家居、航天航空、海洋探测、环境保护、资源利用、医学诊断、生物医学工程测、环境保护、资源利用、医学诊断、生物医学工程甚至文物保护等等广泛的领域。甚至文物保护等等广泛的领域。10.210.2物联网及物联网传感器物联网及物联网传感器第10章 智能传感器18 物联网传感器是在智能传感器的基础上进一步完善物联网传感器是在智能
14、传感器的基础上进一步完善研制而成的。目前开发的物联网传感器有：无线幕帘研制而成的。目前开发的物联网传感器有：无线幕帘控制器；无线调光器；红外动作感应器；无线可燃气控制器；无线调光器；红外动作感应器；无线可燃气体探测器；无线烟感探测器；无线有毒气体探测器；体探测器；无线烟感探测器；无线有毒气体探测器；电流监测插座；无线温度感应器；无线移动感应器；电流监测插座；无线温度感应器；无线移动感应器；无线窗户感应器；无线防盗报警器；无线光线感应器；无线窗户感应器；无线防盗报警器；无线光线感应器；无线门磁感应器；无线开关控制器；无线门磁感应器；无线开关控制器；ZigBee RF ZigBee RF 模模块；
15、无线温湿度传感器；无线压力传感器；等等。块；无线温湿度传感器；无线压力传感器；等等。10.210.2物联网及物联网传感器物联网及物联网传感器第10章 智能传感器19图图10.4所示为物联网在智能家居中的简单应用例子。所示为物联网在智能家居中的简单应用例子。图图10.4物连网在智能家居的简单应用物连网在智能家居的简单应用10.210.2物联网及物联网传感器物联网及物联网传感器第10章 智能传感器20本节要点总结本节要点总结1理解物联网与物联网传感器。理解物联网与物联网传感器。第10章 智能传感器21 智能传感器视其传感元件的不同具有不同的名称和智能传感器视其传感元件的不同具有不同的名称和用途。虽
16、然其硬件的组合方式不尽相同，但其结构用途。虽然其硬件的组合方式不尽相同，但其结构模块大致一样。下面我们以智能压力传感器为例，模块大致一样。下面我们以智能压力传感器为例，介绍它的结构框图。介绍它的结构框图。10.310.3智能传感器的结构框图智能传感器的结构框图 这种智能压力传感器主要由主机模板、模拟量输入这种智能压力传感器主要由主机模板、模拟量输入模块、模块、IEEE-488IEEE-488标准总线模板、接口模板等组成。标准总线模板、接口模板等组成。第10章 智能传感器22 P主机模板主要由主机模板主要由CPU、存储器、存储器(ROM、RAM、EPROM)、串行通信接口、地址译码器、时钟发生、
17、串行通信接口、地址译码器、时钟发生器、地址总线器、地址总线(AB)、数据总线、数据总线(DB)、控制总线、控制总线(CB)等组成。等组成。P是智能传感器的神经中枢，其性能不但影响是智能传感器的神经中枢，其性能不但影响传感器的硬件电路、接口设计、模块数目，而且影传感器的硬件电路、接口设计、模块数目，而且影响传感器的成本高低。响传感器的成本高低。10.310.3智能传感器的结构框图智能传感器的结构框图10.3.110.3.1 P主机模板主机模板第10章 智能传感器23因此，在智能传感器设计时，应参照如下原则来选择因此，在智能传感器设计时，应参照如下原则来选择P。(1) 根据任务选机型。根据任务选机
18、型。根据所研制的智能传感器是用于数据处理完成某些测根据所研制的智能传感器是用于数据处理完成某些测量任务，还是用于某种系统控制，对于不同的任务，量任务，还是用于某种系统控制，对于不同的任务，应选择不同的机型。应选择不同的机型。10.310.3智能传感器的结构框图智能传感器的结构框图10.3.110.3.1 P主机模板主机模板第10章 智能传感器24 (2) 按照需要选字长。按照需要选字长。 字长即并行数据总线的线数。字长较长，就能满字长即并行数据总线的线数。字长较长，就能满足处理较宽范围的算术值的需要。足处理较宽范围的算术值的需要。 (3) 依据用途定速度。依据用途定速度。 P的处理速度取决于时
19、钟频率、执行给定指令所的处理速度取决于时钟频率、执行给定指令所用周期数、指令系统。应依据智能传感器的实际用周期数、指令系统。应依据智能传感器的实际用途，确定用途，确定P的处理速度。动态测量，速度不能的处理速度。动态测量，速度不能低于传感器的响应速度。低于传感器的响应速度。10.310.3智能传感器的结构框图智能传感器的结构框图10.3.110.3.1 P主机模板主机模板第10章 智能传感器25 传感器的输出一般为毫伏数量级模拟量。要满足传感器的输出一般为毫伏数量级模拟量。要满足AD转换电路的要求，还必须经过模拟量输入模板转换电路的要求，还必须经过模拟量输入模板上有关电路的放大、处理，再经上有关
20、电路的放大、处理，再经AD转换电路传转换电路传输到主机板上。输到主机板上。10.3.210.3.2模拟量输入模板模拟量输入模板10.310.3智能传感器的结构框图智能传感器的结构框图第10章 智能传感器26 智能传感器的外总线通常分为并行和串行两种。并智能传感器的外总线通常分为并行和串行两种。并行外总线以行外总线以IEEE-488为代表，串行则以为代表，串行则以RS-232为典型。采用为典型。采用IEEE-488标准总线标准总线(General Purpose Interface Bus，GP-IB)，能使智能传，能使智能传感器从机械上、电气上、功能上与一些必要的智能感器从机械上、电气上、功能
21、上与一些必要的智能仪器相连，组成各种工作系统或自动测试系统。仪器相连，组成各种工作系统或自动测试系统。10.3.310.3.3IEEE-488IEEE-488标准总线模板标准总线模板10.310.3智能传感器的结构框图智能传感器的结构框图第10章 智能传感器27 IEEE-488标准总线共有标准总线共有16根信号线：根信号线：8根双向数根双向数据总线；据总线；3根挂钩线根挂钩线，即数据有效线，即数据有效线DAV、未准备、未准备好接收数据线好接收数据线NRFD、未收到数据线、未收到数据线NDAC；5根根管理线管理线，即注意线，即注意线ATN、接口清除线、接口清除线IFC、实行远、实行远控线控线R
22、EN、服务请求线、服务请求线SRQ、结束与识别线、结束与识别线EOI。IEEE-488标准总线如图标准总线如图10.6所示。所示。10.3.310.3.3IEEE-488IEEE-488标准总线模板标准总线模板10.310.3智能传感器的结构框图智能传感器的结构框图第10章 智能传感器2810.3.310.3.3IEEE-488IEEE-488标准总线模板标准总线模板10.310.3智能传感器的结构框图智能传感器的结构框图图图10.6IEEE-488标准总线标准总线第10章 智能传感器29 该总线可以与带有该总线可以与带有IEEE-488标准接口的计算机、标准接口的计算机、电压表、电源、信号源
23、等智能仪器相连，完成各种电压表、电源、信号源等智能仪器相连，完成各种功能。功能。IEEE-488标准接口中的收发器采用标准接口中的收发器采用Intel 8291、Intel 8292、Intel 8293等芯片，详细内等芯片，详细内容可参阅自动测试系统方面的相关资料。容可参阅自动测试系统方面的相关资料。10.3.310.3.3IEEE-488IEEE-488标准总线模板标准总线模板10.310.3智能传感器的结构框图智能传感器的结构框图第10章 智能传感器30 接口模板包括数字显示、打印输出以及控制系统所接口模板包括数字显示、打印输出以及控制系统所需的数模转换等必需的接口电路。需的数模转换等必
24、需的接口电路。10.3.410.3.4接口模板接口模板10.310.3智能传感器的结构框图智能传感器的结构框图第10章 智能传感器31 LED(LED(七段七段LEDLED、点阵、点阵LED)LED) LCD(LCD(液晶显示器液晶显示器) )10.3.410.3.4接口模板接口模板10.310.3智能传感器的结构框图智能传感器的结构框图第10章 智能传感器32 必要时应配备打印机。必要时应配备打印机。打印输出可以作为永久性记录打印输出可以作为永久性记录保存保存，还可记录瞬时测量值、累加值、周期、批号等，还可记录瞬时测量值、累加值、周期、批号等用户感兴趣的信息。打印机的选用应从性能价格比等用户
25、感兴趣的信息。打印机的选用应从性能价格比等方面考虑。方面考虑。10.3.410.3.4接口模板接口模板10.310.3智能传感器的结构框图智能传感器的结构框图第10章 智能传感器33 接口电路指接口电路指控制系统所需的控制系统所需的数数/模转换等一切必需的接模转换等一切必需的接口电路。口电路。10.3.410.3.4接口模板接口模板10.310.3智能传感器的结构框图智能传感器的结构框图第10章 智能传感器34 灵活方便。灵活方便。10.3.410.3.4接口模板接口模板10.310.3智能传感器的结构框图智能传感器的结构框图第10章 智能传感器35本节要点总结本节要点总结1掌握智能传感器的构
26、成模块。掌握智能传感器的构成模块。2掌握智能传感器组成各部分掌握智能传感器组成各部分功能。功能。第10章 智能传感器36 在智能传感器系统中，接收传感器的输出信号并进在智能传感器系统中，接收传感器的输出信号并进行加工处理的是微处理机。微处理机常常要求输入行加工处理的是微处理机。微处理机常常要求输入信息的形式是一定字长的并行脉冲信号，即一组二信息的形式是一定字长的并行脉冲信号，即一组二进制数字信息。然而，传感器的输出电信号形式却进制数字信息。然而，传感器的输出电信号形式却因传感器的工作原理不同而不尽相同，因传感器的工作原理不同而不尽相同， 如图如图10.710.7所示。所示。10.410.4信号
27、处理与信号处理与P接口技术接口技术10.4.110.4.1传感器输出信号的类型传感器输出信号的类型第10章 智能传感器37 传感器的输出信号形式：传感器的输出信号形式：10.4.110.4.1传感器输出信号的类型传感器输出信号的类型10.410.4信号处理与信号处理与P接口技术接口技术第10章 智能传感器38 由于传感器的输出信号形式不同，因此必须采用不由于传感器的输出信号形式不同，因此必须采用不同的处理和转换方法，把这些信号经过某些预处理同的处理和转换方法，把这些信号经过某些预处理并转换为便于微处理机接收的数字信号。并转换为便于微处理机接收的数字信号。10.4.110.4.1传感器输出信号的
28、类型传感器输出信号的类型10.410.4信号处理与信号处理与P接口技术接口技术 如果传感器输出的是数字信号，则微处理机接收之如果传感器输出的是数字信号，则微处理机接收之前的预处理和转换就方便得多。在数字信号中，开前的预处理和转换就方便得多。在数字信号中，开关信号是最简单的形式，它有触点式与无触点式两关信号是最简单的形式，它有触点式与无触点式两种。种。第10章 智能传感器3910.4.110.4.1传感器输出信号的类型传感器输出信号的类型10.410.4信号处理与信号处理与P接口技术接口技术 触点式开关信号可采用隔离电路，使电平输出端与触点式开关信号可采用隔离电路，使电平输出端与触点一侧在电气上
29、完全绝缘，以防干扰的引入，同触点一侧在电气上完全绝缘，以防干扰的引入，同时可用硬件或软件的方法来消除机械触点的抖动，时可用硬件或软件的方法来消除机械触点的抖动，以增加可靠性；以增加可靠性； 无触点式开关信号一般为电压信号，可用积分电路无触点式开关信号一般为电压信号，可用积分电路或施密特电路来提高输出的抗干扰能力。在考虑了或施密特电路来提高输出的抗干扰能力。在考虑了电平、阻抗等匹配问题以后，开关信号可直接引入电平、阻抗等匹配问题以后，开关信号可直接引入微处理机的某些端口。微处理机的某些端口。第10章 智能传感器40 当传感器的输出信号为随时间连续变化的电参量当传感器的输出信号为随时间连续变化的电
30、参量(如如电压、电流、电阻、电容或电感等模拟量电压、电流、电阻、电容或电感等模拟量)时，这类时，这类信号的预处理和数字化接口电路的组成如图信号的预处理和数字化接口电路的组成如图10.8所所示。示。10.4.210.4.2传感器输出的模拟信号的处理传感器输出的模拟信号的处理10.410.4信号处理与信号处理与P接口技术接口技术第10章 智能传感器4110.4.210.4.2传感器输出的模拟信号的处理传感器输出的模拟信号的处理10.410.4信号处理与信号处理与P接口技术接口技术图图10.8模拟信号的预处理和数字化接口电路的组成模拟信号的预处理和数字化接口电路的组成第10章 智能传感器42多数传感
31、器输出的模拟电压在毫伏或微伏数量级，而多数传感器输出的模拟电压在毫伏或微伏数量级，而且一般变化较为缓慢。但信号所处的环境往往比较恶且一般变化较为缓慢。但信号所处的环境往往比较恶劣，干扰和噪声较大。预处理电路既要将微弱的低电劣，干扰和噪声较大。预处理电路既要将微弱的低电平信号放大至模平信号放大至模/数转换器所要求的信号电平，又要抑数转换器所要求的信号电平，又要抑制干扰，降低噪声，保证信号检测的精度。制干扰，降低噪声，保证信号检测的精度。10.4.210.4.2传感器输出的模拟信号的处理传感器输出的模拟信号的处理10.410.4信号处理与信号处理与P接口技术接口技术第10章 智能传感器43因此，在
32、电压信号的预处理电路中主要包括因此，在电压信号的预处理电路中主要包括滤波器滤波器与与性能指标良好的性能指标良好的电压放大器电压放大器。在放大器的输入端加上。在放大器的输入端加上一个滤波环节，就能有效地降低常规的模拟干扰。通一个滤波环节，就能有效地降低常规的模拟干扰。通常采用简便、廉价的单级或多级常采用简便、廉价的单级或多级RC滤波器，也可采用滤波器，也可采用由运算放大器构成的有源滤波器。由运算放大器构成的有源滤波器。10.4.210.4.2传感器输出的模拟信号的处理传感器输出的模拟信号的处理10.410.4信号处理与信号处理与P接口技术接口技术第10章 智能传感器44电压信号预处理电路中的放大
33、器，除了要进行电压放电压信号预处理电路中的放大器，除了要进行电压放大外，常常还要完成阻抗变换、电平转换、电流大外，常常还要完成阻抗变换、电平转换、电流-电压电压转换以及隔离等功能，通常可采用仪表放大器转换以及隔离等功能，通常可采用仪表放大器(Instrumentation Amplifiers)(或称数据放大器或称数据放大器)、测量放大器和隔离放大器测量放大器和隔离放大器(Isolation Amplifiers)。10.4.210.4.2传感器输出的模拟信号的处理传感器输出的模拟信号的处理10.410.4信号处理与信号处理与P接口技术接口技术第10章 智能传感器45仪表仪表(数据数据)放大器
34、具有放大器具有很高的输入阻抗很高的输入阻抗(一般高达一般高达109以上以上)、较低的失调电压较低的失调电压(一般小于等于一般小于等于25 V)与温度与温度漂移系数漂移系数(一般小于等于一般小于等于0.3 V)、较高的共模抑制、较高的共模抑制比比(CMRR) (一般均超过一般均超过120 dB)、稳定的增益以及、稳定的增益以及低低的输出阻抗的输出阻抗。10.4.210.4.2传感器输出的模拟信号的处理传感器输出的模拟信号的处理10.410.4信号处理与信号处理与P接口技术接口技术第10章 智能传感器46所谓所谓隔离隔离，就是在信号传输电路中，在保证信号传输，就是在信号传输电路中，在保证信号传输通
35、畅的同时，切断输出电路与输入电路电流或电阻的通畅的同时，切断输出电路与输入电路电流或电阻的联系。联系。隔离放大器的主要特点如下：隔离放大器的主要特点如下：(1) 抵抗输入端点和地之间或输入和输出端口之抵抗输入端点和地之间或输入和输出端口之间高的电压差间高的电压差(即共模电压即共模电压)。10.4.210.4.2传感器输出的模拟信号的处理传感器输出的模拟信号的处理10.410.4信号处理与信号处理与P接口技术接口技术第10章 智能传感器47(2) 具有高的噪声抑制能力和高的共模抑制能力。具有高的噪声抑制能力和高的共模抑制能力。(3) 从输入到电源地之间有很高的泄漏通路阻抗从输入到电源地之间有很高
36、的泄漏通路阻抗(隔隔离欧姆电阻的典型值为离欧姆电阻的典型值为1011以上以上)。 隔离放大器可以把信号源与电路输出端欧姆隔离隔离放大器可以把信号源与电路输出端欧姆隔离(隔离电阻大于隔离电阻大于10 M)；10.4.210.4.2传感器输出的模拟信号的处理传感器输出的模拟信号的处理10.410.4信号处理与信号处理与P接口技术接口技术第10章 智能传感器48隔离放大器能使系统或设备隔离保护。隔离放大器能使系统或设备隔离保护。隔离放大器的耦合方式可以是热、磁、光等。目前国隔离放大器的耦合方式可以是热、磁、光等。目前国内外已生产出许多专用的隔离放大器，如国产型号有内外已生产出许多专用的隔离放大器，如
37、国产型号有北京半导体器件一厂的北京半导体器件一厂的GF289、B-GF01等，国外同等，国外同类产品型号有类产品型号有AD289、AD275等。等。10.4.210.4.2传感器输出的模拟信号的处理传感器输出的模拟信号的处理10.410.4信号处理与信号处理与P接口技术接口技术第10章 智能传感器491) 1) 采样保持采样保持(S(SH)H)在智能传感器中，一般被测的连续模拟信号只能在智能传感器中，一般被测的连续模拟信号只能以一定的采样频率将采样点的量值数字化后送入微处以一定的采样频率将采样点的量值数字化后送入微处理器，而理器，而AD转换器每完成一次转换都需要一定的时转换器每完成一次转换都需
38、要一定的时间间Tc。如果输入。如果输入AD转换器的模拟电压转换器的模拟电压Ux在在Tc期间的期间的变化大于变化大于1 LSB的量化电压，则一般不能保证转换的精的量化电压，则一般不能保证转换的精度，因此，在转换时间内对采样点的信号电压要加以度，因此，在转换时间内对采样点的信号电压要加以保持。保持。10.4.210.4.2传感器输出的模拟信号的处理传感器输出的模拟信号的处理10.410.4信号处理与信号处理与P接口技术接口技术第10章 智能传感器50教材中通过计算分析已知，直接用教材中通过计算分析已知，直接用ADC对模拟电压进对模拟电压进行采样与量化的方法只适合于直流与低频信号。当输行采样与量化的
39、方法只适合于直流与低频信号。当输入入ADC的电压变化率较大时，必须采取措施，在的电压变化率较大时，必须采取措施，在ADC之前加入一个之前加入一个SH。SH在某个规定的时刻接收输入在某个规定的时刻接收输入电压，并在输出端保持该电压，直至下次采样为止，电压，并在输出端保持该电压，直至下次采样为止，在保持期间由在保持期间由ADC完成完成AD转换。转换。10.4.210.4.2传感器输出的模拟信号的处理传感器输出的模拟信号的处理10.410.4信号处理与信号处理与P接口技术接口技术第10章 智能传感器51在模拟信号采集系统中，选取采样周期也是很重要的在模拟信号采集系统中，选取采样周期也是很重要的。在智
40、能传感器中，采样周期一般是通过实验来确定。在智能传感器中，采样周期一般是通过实验来确定的。的。对工业过程的参数，如流量、压力、温度等，采样周对工业过程的参数，如流量、压力、温度等，采样周期的选取可参考表期的选取可参考表10.2所列出的经验数据来确定。所列出的经验数据来确定。10.4.210.4.2传感器输出的模拟信号的处理传感器输出的模拟信号的处理10.410.4信号处理与信号处理与P接口技术接口技术第10章 智能传感器5210.4.210.4.2传感器输出的模拟信号的处理传感器输出的模拟信号的处理10.410.4信号处理与信号处理与P接口技术接口技术表表10.2工业过程某些物理量的采样周期选
41、取范围工业过程某些物理量的采样周期选取范围 第10章 智能传感器532) A/D2) A/D转换器转换器AD有多种工作原理不同的电路，并各有不同的有多种工作原理不同的电路，并各有不同的优缺点。如果所选用的优缺点。如果所选用的AD转换器不能满足系统的要转换器不能满足系统的要求，那么系统就得不到所要求的性能，严重时甚至所求，那么系统就得不到所要求的性能，严重时甚至所采集的是完全错误的信息。根据不同的工作原理，采集的是完全错误的信息。根据不同的工作原理，AD转换器大致可分为以下几种。转换器大致可分为以下几种。10.4.210.4.2传感器输出的模拟信号的处理传感器输出的模拟信号的处理10.410.4
42、信号处理与信号处理与P接口技术接口技术第10章 智能传感器54(1) 双积分双积分AD转换器。转换器。(2) 计数比较计数比较AD转换器。转换器。 (3) 逐次逼近逐次逼近AD转换器。转换器。(4) 并行并行AD转换器。转换器。10.4.210.4.2传感器输出的模拟信号的处理传感器输出的模拟信号的处理10.410.4信号处理与信号处理与P接口技术接口技术第10章 智能传感器55AD转换器的主要性能指标有：转换器的主要性能指标有：输入条件、分辨输入条件、分辨力、转换速度、线性、力、转换速度、线性、稳定性、输出代码和附加功能稳定性、输出代码和附加功能等。下面简单介绍前四项指标的定义及内涵。等。下
43、面简单介绍前四项指标的定义及内涵。 输入条件。输入条件。输入条件就是模拟信号转换成数字输入条件就是模拟信号转换成数字信号时，模拟信号的输入条件。信号时，模拟信号的输入条件。10.4.210.4.2传感器输出的模拟信号的处理传感器输出的模拟信号的处理10.410.4信号处理与信号处理与P接口技术接口技术第10章 智能传感器56 分辨力。分辨力。数字化信息是从离散的整数型数字化信息是从离散的整数型0开始的开始的连续数值信息，该数值信息的最大值称为分辨力。连续数值信息，该数值信息的最大值称为分辨力。 转换速度。转换速度。转换速度就是将模拟输入信号转换转换速度就是将模拟输入信号转换成数字信息的速度。严
44、格地说，转换速度是转换所需时成数字信息的速度。严格地说，转换速度是转换所需时间的倒数，但习惯上却大多直接用转换所需的时间来表间的倒数，但习惯上却大多直接用转换所需的时间来表10.4.210.4.2传感器输出的模拟信号的处理传感器输出的模拟信号的处理10.410.4信号处理与信号处理与P接口技术接口技术第10章 智能传感器57示。示。AD转换器的工作原理不同，转换速度差别很大，转换器的工作原理不同，转换速度差别很大，如以转换所需时间表示，一般为几十纳秒到几百毫秒。如以转换所需时间表示，一般为几十纳秒到几百毫秒。 线性。线性。线性是定义被转换的模拟输入信号与转线性是定义被转换的模拟输入信号与转换后
45、的数字信息比例关系的指标。图换后的数字信息比例关系的指标。图10.9所示为所示为AD转换器的线性关系。转换器的线性关系。10.4.210.4.2传感器输出的模拟信号的处理传感器输出的模拟信号的处理10.410.4信号处理与信号处理与P接口技术接口技术第10章 智能传感器583) 3) 与微机的接口与微机的接口各种型号的各种型号的AD转换器芯片均设有数据输出引脚转换器芯片均设有数据输出引脚、启动转换引脚、转换结束引脚等。在使用时，要正、启动转换引脚、转换结束引脚等。在使用时，要正确处理好上述引脚与确处理好上述引脚与CPU之间的硬件连线。之间的硬件连线。AD转换转换器的某些产品注明能直接和器的某些
46、产品注明能直接和CPU配接，这是指配接，这是指AD转转换器的数据输出线可直接挂到换器的数据输出线可直接挂到CPU的数据总线上，说的数据总线上，说明该转换器的数据输出寄存器具有可控的三态输出功明该转换器的数据输出寄存器具有可控的三态输出功能，转换结束，能，转换结束，CPU可用输入指令读取数据。可用输入指令读取数据。10.4.210.4.2传感器输出的模拟信号的处理传感器输出的模拟信号的处理10.410.4信号处理与信号处理与P接口技术接口技术第10章 智能传感器59本节要点总结本节要点总结1掌握智能传感器的输出信号形式。掌握智能传感器的输出信号形式。23掌握掌握A/DA/D转换器的功能。转换器的
47、功能。理解隔离放大器的功能。理解隔离放大器的功能。第10章 智能传感器6010.510.5 智能传感器中的数据处理智能传感器中的数据处理 数据处理就是对传感器输出的信息通过微处理机进数据处理就是对传感器输出的信息通过微处理机进行某些处理，从而得到新的有用的信息。行某些处理，从而得到新的有用的信息。 顺序输入给微处理机的信息大致有两种。顺序输入给微处理机的信息大致有两种。 第一种是输入的信息只在当时使用才是有效的。第一种是输入的信息只在当时使用才是有效的。 第二种是将输入的信息累积存储在存储器中，然后第二种是将输入的信息累积存储在存储器中，然后综合利用整个累积的信息。为为了对这些数据信息综合利用
48、整个累积的信息。为为了对这些数据信息进行正确使用，使其充分发挥作用，必须进行处理。进行正确使用，使其充分发挥作用，必须进行处理。第10章 智能传感器6110.510.5 智能传感器中的数据处理智能传感器中的数据处理 数据处理通常包含如下若干内容：数据处理通常包含如下若干内容：数据收集数据收集数据转换数据转换数据分组数据分组数据组织数据组织数据计算数据计算数据存储数据存储数据搜索数据搜索第10章 智能传感器6210.510.5 智能传感器中的数据处理智能传感器中的数据处理 智能传感器中的数据主要是指输入非电量、输出电智能传感器中的数据主要是指输入非电量、输出电量、误差量、修正量、特性表格的值等。
49、量、误差量、修正量、特性表格的值等。 智能传感器中主要涉及下述问题。智能传感器中主要涉及下述问题。第10章 智能传感器6310.510.5 智能传感器中的数据处理智能传感器中的数据处理 表格是智能传感器中数据的基本结构。对于表格，表格是智能传感器中数据的基本结构。对于表格，按不同的情况，可采用不同的查表方法。如：按不同的情况，可采用不同的查表方法。如：10.5.110.5.1查表与搜索查表与搜索 线性搜索线性搜索 对分搜索对分搜索 跟踪搜索跟踪搜索第10章 智能传感器6410.510.5 智能传感器中的数据处理智能传感器中的数据处理 插值法是数值计算中的一个基本方法。分段插值法插值法是数值计算
50、中的一个基本方法。分段插值法是插值法中算法简单、收敛性和稳定性较好的一种。是插值法中算法简单、收敛性和稳定性较好的一种。10.5.210.5.2分段插值法分段插值法 这种方法是把传感器的测量范围划分成若干个分段这种方法是把传感器的测量范围划分成若干个分段，然后在每个分段内进行线性插值或抛物线插值。，然后在每个分段内进行线性插值或抛物线插值。第10章 智能传感器6510.510.5 智能传感器中的数据处理智能传感器中的数据处理 在要求较高的智能传感器设计中，可考虑选用曲线在要求较高的智能传感器设计中，可考虑选用曲线拟合修正法。查表搜索和分段插值都保留了数据的拟合修正法。查表搜索和分段插值都保留了
