智能式传感器

汪 宁

[摘要]传感器技术是信息获取与处理技术中的三大核心技术之一，近十年传感器技术其智彘化的特点日益突出，下面来谈谈智能化传感器的构成和特点，以及其设计方法。

[关键词]传感器智能化构成设计

中图分类号：TP2文献标识码：A文章编号：1671--7597(2009)1020048--01

现在世界各国都在大力推进社会的信息化进程，大力发展信息技术。信息技术实际上是由传感器技术、通信技术和计算机技术三大核心组成的。作为信息获取处理技术的重要一环，传感器技术的发展受到了极大的关注，这为这一技术的发展起到了很好的推动作用。智能化是传感器技术大力发展的方向之一。

一、智能式传感器的构成和特点

智能式传感器是一种以微处理器为核心的具有检测、判断和信息处理能力等功能的传感器。其主要包括传感器智能化和智能传感器两种主要形式。

(一)传感器智能化

采用微处理器或微型计算机系统来扩展提高传统传感器的功能，传感器与微处理器可为两个分立的功能单元，传感器的输出信号经过放大调理和转换后由接口送入微处理器进行处理。

(二)智能传感器

其借助于半导体技术将传感器部分与信号放大调理电路、接口电路和微处理器等结合在同一块芯片上，形成了大规模集成电路的智能传感器。

智能传感器特点主要集中在：功能多、可靠性强、一体化、集成度高、体积小、适宜大批量生产、使用方便、性价比高等方面。这些都是传感器发展的必然趋势。

二、传感器智能化设计

传感器智能化设计从系统的角度着手考虑主要可以分成两个方面。

(一)硬件设计

1、微处理器系统设计

微处理器系统是智能式传感器的核心，它的性能对整个传感器的调理电路、接口设计等有很大影响。微处理器选择的主要依据有：

(1)任务：智能式传感器中的微处理器是用于数据处理还是仅仅起控制作用。

(2)字长：字长较长，就能处理较宽范围内的算术值。因此4位字长的微处理器一般都用于控制，8位字长的可用于数据处理和控制，16位字长的都用于数据处理。

(3)处理速度：如果传感器用于动态测试，其微处理器的处理速度不得低于传感器的动态范围。

(4)功耗。

2、信号调理电路设计

多数传感器输出的模拟电压在毫伏或微伏数量级，并且存在较大的干扰和噪声。信号调理电路的作用，一是将微弱的低电平信号放大到模数转换器所要求的信号电平，如0～±5v或0～+10v范围，二是抑制干扰、降低噪声，保证信号检测的精度。

3、A／D、D／A的设计

在智能式传感器中，传感器和微处理罂之间要通过模数转换器将输入的模拟电压信号成比例地转化成二进制数字信号。当需要传感器的输出起控制作用时，数模转换器将微处理器处理后的数字量转换为相应的模拟量信导，诜柽A／D转换器时要注意分辨率、转换时间与转换频率以及稳定性和抗干扰能力这些性能指标。而D／A转换器选择是要注意分辨率、转换时间和精度。

(二)软件设计与数据处理

软件是智能式传感器的灵魂，其主要功能是完成数据处理任务。数据处理主要包括算术和逻辑运算、检索与分类、非线性特性的校正、误差的自动校准及自诊断和数字滤波等。下面主要从三个功能来谈谈软件设计和数据处理。

1、非线性特性的校正

传感器的输出信号与被测参数之间存在明显的非线性，为提高智能式传感器的测量精度，必须对非线性特性进行校正，使之线性化。而线性化的关键就是找出校正函数。

(1)校正函数。假设传感器的输出为y，输入为x，y=f(x)存在非线性，先计算下列函数R=g(y)=g[f(x)]使R与x之间保持线性关系，函数g(y)便是校正函数。

(2)曲线拟合法校正。曲线拟合的理论表明：某些自变量x与因变量y之间的单值非线性关系，可以用自变量x的高次多项式来逼近，即：

y＝ao+alX+a2X2+，”+ad“

其中a0，a1，a2，…an是待求的拟合系数。

(3)分段线性化与线性插值。对于一个已知函数y=f(x)的曲线，可按一定的要求将其分成若干小段，每个分段曲线用其端点连成的直线端来代替。

2、误差的自动校准及自我诊断

借助微处理器的计算能力，可自动校准由零点电压偏移和漂移、各种电路的增益误差及器件参数的不稳定等引起的误差，从而提高传感器的精度，简化硬件并降低对静谧与案件的要求。自诊断程序步骤有两种，一是设立独立的“自检”功能，在操作员按下“自检”按键时，系统将照事先设计的程序，完成一个循环的自检，并从显示器上观察自检结果是否正确。二是可以在每次测量之前插入一段自检程序，若程序不能往下执行则说明系统有故障。

3、数字滤波

数字滤波就是通过一定的计算程序降低干扰在有用信号中的比重。与模拟滤波器相比，数字滤波的优点有：一是通过改变程序，方便灵活得调整参数。二是可对极低频率的信号实现滤波。三是不要增加硬件设备，各通道可选用同一数字滤波程序。对于简单的数字滤波器设计可采用基于算术平均值法的平滑滤波器和一阶数字滤波器等，而比较复杂的可采用模拟化设计。模拟化设计方法是以模拟滤波为理论基础。无论是低通滤波器还是高通滤波器，都可以分为几种不同类型。滤波器的类型不同，要求的传递函数的系数也不相同。