第10章 智能传感器 第10章 智能传感器10.1 智能传感器结构框图 10.2 信号处理与P接口技术10.3 智能传感器中的数据处理 10.4 智能传感器的设计思考题与习题第10章 智能传感器 10.1 智能传感器结构框图图10.1示出了这种设计的简单框图。 图10.2所示为某一集成一体化的智能传感器的结构,它是将智能传感器的各部分通过一定的工艺,分层集成在一块半导体硅片上的。 第10章 智能传感器 图10.1 将微处理机引入传感器的简单框图 第10章 智能传感器 图10.2 集成一体化的智能传感器的结构 第10章 智能传感器 智能传感器视其传感元件的不同具有不同的名称和用途。虽然其硬件的组合方式不尽相同,但其结构模块大致一样。我们以智能压力传感器为例,叙述和简介它的结构框图。图10.3示出了一种智能压力传感器的结构框图。由图可见,这种智能压力传感器主要由微处理机（P）主机模板、模拟量输入模板、IEEE-488标准总线模板、接口模板等组成。第10章 智能传感器 图10.3 一种智能压力传感器的结构框图第10章 智能传感器 10.1.1 P主机模板P主机模板主要由CPU、存储器（ROM、RAM、EPROM）、串行通讯接口、地址译码器、时钟发生器、地址总线（AB）、数据总线（DB）、控制总线（CB）等组成。P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,而且还影响传感器的成本高低。因此,在智能传感器设计时,应参照如下原则来选择P。 第10章 智能传感器 根据任务选机型。你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？不同的 任务,应选择不同的机型。例如,MCS-51系列单片机的指令系 统比较丰富,具有较强的控制及处理能力,而MCS-96系列单片 机则包括一个高性能的16位CPU、8K字节的程序存储器、 232个字节的数据存储器、功能丰富的IO端口、10位AD 转换器,数据处理能力更强。又例如,权衡各方面,也可选各种基于嵌入式微处理器的模块板或嵌入式微处理器。电子技术 日新月异,32位的高性能处理器价格不断下跌。嵌入式技术的发展速度随着高性能及低价格的处理器芯片上市速度的加 速而加速。表10.1是32位ARM内核处理器的价格与C51单片 机的价格比较情况。第10章 智能传感器 表10.1 32位ARM内核处理器与单片机性能价格比较第10章 智能传感器 比较之后我们会发现,ARM 32位处理器价格已经比较便 宜而且性能较传统的51单片机高,集成度也大大提高,为单芯片 解决方案提供了非常方便的平台,在很多场合都可以用一个芯 片就包容了用户所需要的全部资源,根本不用扩展其它资源了 ；不但电路简单易行,风险减小,而且产品价格也能控制在最理 想状态。 按照需要选字长。字长,即并行数据总线的线数。字长 较长,就能满足处理较宽范围的算术值的需要。 依据用途定速度。P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 际用途,确定P的处理速度。如传感器用于动态测量,P的处 理速度不能低于传感器的响应速度,而用于静态测量时可降低 一些要求。第10章 智能传感器 10.1.2 模拟量输入模板传感器的输出一般为毫伏数量级模拟量,要满足A D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AD转换电路传输到主机板 上去。10.1.3 IEEE-488标准总线模板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IEEE-488为代表,串行则以RS-232为典型 。采用IEEE-488标准总线（或称GP-IB,即General Purpose Interface Bus）,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仪器相连,组建成各种 工作系统或自动测试系统。第10章 智能传感器 IEEE-488标准总线共有16根信号线： 8根双向数据总线；3根挂钩线,即数据有效线DAV、未准备好接收数据线NRFD、未收到数据线NDAC；5根管理线,即注意线ATN、接口清除线IFC、实行远控线REN、服务请求线SRQ、结束与识别线EOI,如图10.4所示。这个总线可以与带有IEEE-488标准接口的计算机、电压表、电源、信号源等智能仪器相连,完成各种功能。IEEE-488标准接口中的收发器采用Intel8291、8292、8293等芯片,详细内容可参阅自动测试系统方面的书籍、文献。第10章 智能传感器 图10.4 IEEE-488标准总线第10章 智能传感器 10.1.4 接口模板接口模板包括了数字显示、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。1. 数字显示通过数字显示,可以直接读出智能传感器输出量的 大小。为了符合人们的习惯,通常用七段发光二极管（ LED）按十进制计数方式显示测量结果。LED显示器 有共阳极型和共阴极型,所加电压一般是1.6 V或2.4 V, 使用时要调整驱动电路以及限流电阻（100800 ）, 使工作电流不超过正常范围（1020 mA）。传感元件 的输出经转换电路加到P,再通过P的输出端口,经译码 器、驱动电路,使LED显示。第10章 智能传感器 液晶显示器（LCD）近年来发展很快,目前已有标准段式 LCD、内藏驱动与控制器的标准段式LCD模块、标准字符点 阵式LCD模块、标准图形点阵式LCD模块等多个品种面市。 LCD具有平板显示、结构轻薄、电压低、功耗小等优点。点 阵式LCD已广泛应用于笔记本式计算机、台式计算机和智能传感器中。2. 打印输出必要时应配备打印机。打印输出可以作为永久性记录保 存,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,应从性能价格比等方面考虑。3. 接口电路接口电路指控制系统所需的数模转换等一切必需的接口 电路。 第10章 智能传感器 10.2 信号处理与P接口技术10.2.1 传感器输出信号的类型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因传感器工作原理不同而不尽相同,正如绪论中所提到的,通常可作以下归纳：第10章 智能传感器 第10章 智能传感器 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并转换为微处 理机便于接受的数字信号。传感器输出的如果是数字信号,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,开关信号是最简单 的形式,它有触点式与无触点式两种。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,以增加可靠性；无触点式开关信号一般为电压信号,可用积分电路或施密特电路来提高输出的抗干扰能力。当 考虑了电平、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。其它数字输出信号与微处理机的连接 也很方便,这里不再介绍。 第10章 智能传感器 10.2.2 传感器输出的模拟信号的处理当传感器的输出信号为随时间连续变化的电参量,如电压、电流、电阻、电容或电感等模拟量时,对这类信号的预处理和数字化接口电路的组成一般如图10.5所示。 第10章 智能传感器 图10.5 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 1. 电压信号的预处理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。但信号所处的环境有时往往比较恶劣,干扰 和噪声较大。预处理电路既要将微弱的低电平信号放大至模数 转换器所要求的信号电平,如05 V或010 V的范围,又要抑制 干扰,降低噪声,保证信号检测的精度。因此,在电压信号的预处 理电路中将主要包括滤波器与性能指标良好的电压放大器。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。通常采用简便、廉价的单级或多级 RC 滤波器,也 可采用由运算放大器构成的有源滤波器。电压信号预处理电路 中的放大器,除了进行电压放大外,常常还要完成阻抗变换、电 平转换、电流-电压转换以及隔离的功能。通常可采用仪表放 大器（Instrumentation Amplifiers)（或称数据放大器）、测量 放大器和隔离放大器（Isolation Amplifiers）。第10章 智能传感器 仪表（数据）放大器具有很高的输入阻抗（一般高达10 9以上）、较低的失调电压（一般25 V）与温度漂移系数（一般0.3 V）、较高的共模抑制比（CMRR）（一般均超过120 dB）、稳定的增益以及低的输出阻抗。目前国内外不少厂家有产品供应。如国产的有749厂的ZF604、ZF605、ZF606,北京半导体器件研究所的BG004等；国外型号有AD605等。所谓隔离,就是在信号传输电路中,在保证信号传输通畅的同时,切断输出电路与输入电路电流或电阻的联系。隔离放大器的主要特点如下。第10章 智能传感器 由于具有内部保护装置,故能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（即共模电压）。隔离放大 器具有很高的抵抗共模电压的能力。 具有高的噪声抑制能力和高的共模抑制能力。 从输入到电源地之间有很高的泄漏通路阻抗（隔离欧 姆电阻的典型值为10 11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 电阻大于10 M）；隔离放大器能把输入电路浮空（或浮置 ）,切断地环路,消除地环流；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 内外已生产出许多专用的隔离放大器。如国内产的有北京半 导体器件一厂的GF289、B-GF01等；国外同类产品型号有 AD289、AD275等。第10章 智能传感器 2. 电压信号的模数转换1） 采样保持（SH）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理器,而AD转换器每完成一次转换都需要一定的时间Tc。如果输入AD转换器的模拟电压Ux在Tc期间的变化大于1 LSB的量化电压,一般就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保持。以8位分辨率的ADC0809芯片来说,设其输入电压幅度UFS为05V,转换时间为100s,它允许的输入电压最大变化率为第10章 智能传感器 当Ux为正弦变化的信号,即Ux =Um sint,其最大变化率发生在过零时,则有于是有 因此,Ux的最高频率fmax受到限制。当Um=UFS 时,可得第10章 智能传感器 则ADC0809芯片的fmax=6.22 Hz。显然,直接用ADC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。当输入ADC的电压变化率比较大时, 必须采取措施,在ADC之前加入一个SH。SH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,在保持期间由ADC完成AD转换。这样,上述问题就可 得到解决。参考文献10中做了详细计算,在ADC0809前 加入AD582采样保持芯片时, fmax可提高到约4 kHz。可见,用 同一种ADC芯片,在其前插入SH后,允许输入信号的频率将 大大提高。在模拟信号采集系统中,选取采样周期也是很重要的。在 智能传感器