28014H,第13章 传感器信息融合,13.1 传感器融合的基础知识 13.2 人体生物传感器的融合 13.3 数据融合系统的建模 13.4 多传感器数据层次化融合的结构 13.5 传感器融合的应用 13.6 传感器融合研究的重点问题,28014H,13.1 传感器融合的基础知识,13.1.1 传感器融合的概念 13.1.2 传感器融合的目标 13.1.3 传感器融合的优势,28014H,13.1.1 传感器融合的概念,图13-1 传感器融合系统结构,28014H,13.1.2 传感器融合的目标,每种传感器都有其各自的特点，但是它只能在某一范围内、从某一方面描述被测对象。由于受外界干扰噪声的影响，有时会产生较大的测量误差。因此没有任何一种传感器可以保证在任何时候都能提供全面的、准确无误的信息。单个传感器只能提供部分的、不精确的信息。,28014H,13.1.3 传感器融合的优势,(1)能够更加准确地获得被测对象或环境的信息，而且与任何单一传感器所获得的信息相比，具有更高的精度和可靠性。 (2)通过各传感器的互补，获得某单一传感器所不能获得的独立的特征信息。 (3)与传统的单一传感器相比，能够以更小的时间、更小的代价获得同样的信息。 (4)根据系统的先验知识，通过对多传感器信息的融合处理，可以完成分类、判断、决策等任务。,28014H,13.2 人体生物传感器的融合,图13-2 人体生物传感器的信息融合模型,28014H,13.3 数据融合系统的建模,13.3.1 智能系统任务环境的建模 13.3.2 模型建立,28014H,13.3.1 智能系统任务环境的建模,多传感器系统的任务环境多种多样，因而任务环境的建模方式及其模型也各不相同。,28014H,13.3.2 模型建立,(1)传感器系统辨识及其特征值获取； (2)确定系统性能和子系统结构； (3)建立模型方程(传递函数模型、状态模型、性能模型)； (4)确定系统的结构方程。,28014H,图13-3 传感器系统的数学方法,28014H,13.4 多传感器数据层次化融合的结构,13.4.1 数据级融合算法 13.4.2 特征级融合算法 13.4.3 决策级融合算法,28014H,13.5 传感器融合的应用,13.5.1 汽车里的多传感器技术 13.5.2 汽车里的多传感器类型,28014H,13.5.1 汽车里的多传感器技术,首次在汽车里使用的控制仪表常常只能完成一个具体任务，如点火控制、喷油、驱动、防滑或空调。它们的工作方式为自主式，每一种工作都需要一定数量的传感器用于采集过程信号。这种方法使汽车电子系统变得简单。这将由顾客选择是采用化油器发动机还是电喷发动机。在改装费用不重要的情况下汽车制造集团也可能撤出不可接受的汽车电子市场(如在欧洲不太容易被接受的车载计算机)。,28014H,13.5.2 汽车里的多传感器类型,表13-1 自动汽车电子系统的4个功能单元,表13-2 汽车中传感器所要测量的重要物理量,28014H,13.5.2 汽车里的多传感器类型,表13-3 汽车中具有不同安全性要求的系统,28014H,13.6 传感器融合研究的重点问题,13.6.1 硬件 13.6.2 软件 13.6.3 算法,28014H,13.6.1 硬件,图13-4 多传感器融合的研究方法结构,28014H,13.6.2 软件,解决这些问题的一种尝试可以考虑为一种逻辑传感器的形式，通过采用摘要数据形式发展为专用的各种传感器的简易样机，并实现网络的有效描述。,28014H,第14章 智能传感器,14.1 智能传感器概述 14.2 智能传感器的功能及特点 14.3 智能传感器的实现途径 14.3.3 混和实现 14.4 智能传感器系统智能化的功能实现方法 14.5 智能传感器的形式 14.6 智能传感器的应用,28014H,14.1 智能传感器概述,14.1.1 智能传感器的定义 14.1.2 智能传感器的组成 14.1.3 智能传感器的发展,28014H,14.1.1 智能传感器的定义,早期，人们简单、机械地强调在工艺上将传感器与微处理器两者紧密结合，认为“传感器的敏感元件及其信号调理电路与微处理器集成在一块芯片上就是智能传感器”。但这只能说是传感器的微机化，并不是真正意义上的智能传感器，而智能传感器要求传感器与微处理器实现实质上的智能结合，具有信息检测和信息处理的功能，更加强调信息处理的能力，并不追求简单片面的集成。一个真正意义上的智能传感器必须具备学习、推理、感知、通讯及管理功能，使传感器与微处理器赋予智能的结合，兼有信息检测与信息处理功能的传感器就是智能传感器(系统)，将传感器与微处理器集成在一块芯片上是构成智能传感器(系统)的一种最主要的方式。智能传感器英文常译为：Intelligent Sensor/Smart Sensor。,28014H,14.1.2 智能传感器的组成,图14-1 DPT型智能压力传感器的结构 UART异步发送、接收器 PFA程控放大器,28014H,14.1.3 智能传感器的发展,传感器是获取信息的工具。传感器技术是关于传感器设计、制造及应用的综合技术。它是信息技术的三大支柱(传感与控制技术、通讯技术和计算机技术)之一。传统的传感器技术已达到其技术极限。智能传感器是信息时代的骄子，它正成为推动信息产业发展的强大动力。智能传感器在电子信息工程领域具有特殊重要的意义。当前，智能传感器向以下几方面迅猛发展：单片集成化；网络化；智能微尘传感器；系统化、高精度；多功能；高可靠性；安全性。,28014H,14.2 智能传感器的功能及特点,14.2.1 智能传感器的功能 14.2.2 智能传感器的特点,28014H,14.2.1 智能传感器的功能,(1)具有自校准和自诊断功能。 (2)具有数据存储、逻辑判断和信息处理功能，能对被测量进行信号调理或信号处理(包括对信号进行预处理、线性化，或对温度、静压力等参数进行自动补偿等)。 (3)能够自动采集数据，并对数据进行预处理。 (4)具有组态功能，使用灵活。 (5)具有双向通信功能，能直接与微处理器(P)或单片机(C)通信。 (6)具有判断、决策处理功能。,28014H,14.2.2 智能传感器的特点,1.精度高 2.量程宽 3.多参数、多功能测量 4.自适应(Self-adaptive)能力强 5.较高的价格性能比,28014H,14.3 智能传感器的实现途径,14.3.1 非集成化实现 14.3.2 集成化实现,28014H,14.3.1 非集成化实现,将经典传感器、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合为一体而构成的一种智能传感器系统。这是实现智能传感器的最快捷方式。,28014H,14.3.2 集成化实现,(1)微型化 微型压力传感器已经可以小到放在注射针头内送进血管测量血液流动情况，装在飞机或发动机叶片表面用以测量气体的流速和压力。 (2)结构一体化 压阻式压力(差)传感器是最早实现一体化结构的。 (3)精度高 比起分体结构，传感器结构本身一体化后，迟滞、重复性指标将大大改善，时间漂移大大减小，精度提高。 (4)多功能 微米级敏感元件结构的实现特别有利于在同一硅片上制作不同功能的多个传感器，如Honeywell公司20世纪80年代初期生产的ST3000型智能压力(差)和温度变送器，就是在一块硅片上制作了感受压力、压差及温度3个参量，具有3种功能(可测压力、压差、温度)的敏感元件结构的传感器。,28014H,14.3.2 集成化实现,(5)阵列式 微米技术已经可以在1cm2大小的硅芯片上制作含有几千个压力传感器阵列，譬如，丰田中央研究所半导体研究室用微机械加工技术制作的集成化应变计式面阵触觉传感器，在8mm8mm的硅片上制作了1024个(3232)敏感触点(桥)，基片四周还制作了信号处理电路，其元件总数约16000个。,28014H,图14-2 混合智能传感器系统组成,28014H,14.3.3 混和实现,根据需要与可能，将系统各个集成化环节，如：敏感单元、信号调理电路、微处理器单元、数字总线接口，以不同的组合方式集成在两块或3块芯片上，并装在一个外壳里，其组成结构如图14-2所示，集成化敏感单元包括弹性敏感元件(对结构型传感器)及变换器。信号调理电路包括多路开关、仪用放大器、基准、模/数(A/D)转换器等。微处理器单元包括数字存储器(EPROM、ROM、RAM)、I/O接口、微处理器、数/模(D/A)转换器等。,28014H,14.4 智能传感器系统智能化的功能实现方法,14.4.1 非线性自校正技术 14.4.2 自校零与自校准技术 14.4.3 噪声抑制技术 14.4.4 自补偿 14.4.5 多传感器信息融合 14.4.6 自选量程与增益控制 14.4.7 智能传感器的自检验和自诊断,28014H,14.4.1 非线性自校正技术,传感器追求测量范围内的线性，即测量范围内灵敏度为常数。智能传感器都可以实现前端输入量X经调理电路至AD转换器前端的输出Y的线性关系，这样的校正过程是一非线性自校正过程，其条件为前端传感器输入量X经调理电路输出Y是重复性的。,28014H,14.4.2 自校零与自校准技术,对于一个理想的传感器系统，a0与a1应为保持恒定不变的常量。但是实际上，由于各种内在和外来因素的影响，a0与a1都不可能保持恒定不变。譬如，决定放大器增益的外接电阻的阻值就会因温度变化而变化，因此就会引起放大器增益改变，从而使得传感器系统总增益改变，也就是系统总的灵敏度发生变化。,28014H,14.4.3 噪声抑制技术,智能传感器应完成在噪声及各种干扰信号中准确提取被测信号，若被测信号频谱与干扰信号频谱不重合采用滤波技术，若被测信号频谱与干扰信号频谱重合采用相关仪或平均滤波技术。,28014H,14.4.4 自补偿,消除环境参数变化引起系统特性的改变， 主要为温度的自动补偿。,28014H,14.4.5 多传感器信息融合,输出量y为多个参量x1、x2、x3的函数，要求智能传感器敏感元件的集成化、阵列化，完成多传感器对多信息的同时检测，并将检测到的多信息进行算法融合。,28014H,14.4.6 自选量程与增益控制,根据被测量的范围、信噪比、系统精度、灵敏度综合因素自动选择。,28014H,14.4.7 智能传感器的自检验和自诊断,自检验有开机自检、周期性自检、键控自检3类。自诊断有硬件冗余、解析冗余、人工神经网络3类方法。,28014H,14.5 智能传感器的形式,14.5.1 初级形式 14.5.2 中级形式 14.5.3 高级形式,28014H,14.6 智能传感器的应用,14.6.1 基于I2C总线的MAX6626型智能温度传感器 14.6.2 ST3000系列智能压力传感器,28014H,14.6.1 基于I2C总线的MAX6626型智能温度传感器,1.MAX6626的工作原理 2.MAX6626的性能特点 3. MAX6626的典型应用,28014H,1.MAX6626的工作原理,图14-3 MAX6626传感器的内部电路框图,28014H,2.MAX6626的性能特点,1)内含温度传感器和12位AD转换器，测温范围是-55+125，分辨率可达0.0625。 2)带I2C串行总线接口。 3)当被测温度超过上限tH时，报警输出端(OT)被激活。 4)MAX6626具有掉电模式，主机通过串行口将配置寄存器的Do置成高电平时，芯片就进入此模式，这时除上电重启动电路和串行接口以外，其余电路均不工作。 5)利用内部的故障排队计数器，能防止出现误报警现象。 6)电源电压范围是+3.0+5.5V，静态工作电流约为1mA，在掉电模式下降至1A。,28014H,3. MAX6626的典型应用,图14-4 MAX6626的典型应用,28014H,14.6.2 ST3000系列智能压力传感器,1. ST3000系列的性能特点 2. ST3000系列的工作原理及应用,