智能传感器的设计

智能传感器的设计

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　　【摘 要】电子自动化产业的迅速发展与进步促使智能传感器技术日趋发展，国内外一些企业已经大力开展有关集成智能传感器的研制，并取得了令人瞩目的发展。本文针对智能传感器的发展与设计进行了探讨。

　　【关键词】智能传感器;发展;设计;自动化

　　智能传感器系统是一门现代综合技术，是当今世界正在迅速发展的高新技术，所以我们应该掌握只能传感器的设计，从而推动我国自动化的发展。

　　1 智能传感器的发展

　　1.1 朝着高精度方向发展

　　随着自动化生产模式的再扩大，对智能传感器的技术水平要求也在不断提高, 高精度的智能传感器是生产自动化的可靠性的有效保障，研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型智能传感器是其未来发展的不然趋势。

　　1.2 朝着高可靠性、宽温度范围方向发展

　　由于智能传感器的可靠性对电子设备的抗干扰等性能具有直接的影响，我们需要研究发现新的材料，利用新型材料研制基本传感器。基本传感器是智能传感器的基础, 它的制作及其性能对整个智能传感器影响甚大。除硅材料具有优良的物理特性, 能够方便地制成各种集成传感器。此外还有功能陶瓷、石英、记忆合金等都是制作传感器的优质材料。用来研制高可靠性、宽温度范围的智能传感器，来抵抗电磁对它的干扰。

　　1.3 朝着微型化方向发展

　　当下，各种控制仪器设备在功能越来越强的同时，还要求体积的微型化，智能传感器当然也不是一个例外。这就要求发展新的材料及微细的加工技术。近年来，微加工技术日趋成熟，可以加工高性能的微结构传感器、ASIC 制作技术, 也可用于制造智能传感器。来研制出体积非常小、互换性可靠性都较好的智能传感器。

　　1.4 朝着微功耗及无源化方向发展

　　智能传感器是利用非电量向电量转化的原理制成的，电源是其正常工作的必备品，一旦是在野外现场或远离电网的工作环境，电池供电或太阳能供电将成为智能传感器应用的电源，既可以节省能源又可以提高系统寿命的智能传感器是现在所急需的，这也就决定了研制微功耗的传感器及无源传感器将是智能传感器必然的发展方向。

　　1.5 朝着智能化数字化方向发展

　　由于我国自动化技术的进步，智能传感器的功能已不再受传统的功能的束缚, 对智能传感器的要求即输出的不再仅仅是单一的模拟信号，而是经过微电脑处理好后的数字信号，这些数字信号有的附带一定的控制功能，这也是智能传感器发展的趋势。

　　1.6 朝着网络化方向发展

　　近几年来，网络的作用和优势已经逐步凸显出来，智能传感器的网络化也占有越来越重要的位置。网络化的智能传感器将不仅会促进我国电子科技的不断发展与进步，更能把智能传感器在全球范围内进行普及。

　　2 智能传感器的设计

　　针对智能传感器的小型化、智能化、网络化的发展趋势，我们应该设计一种多功能集成的智能传感器。智能传感器的实现是在传感器、计算机、信号处理、网络控制等技术的`基础上发展起来的, 它综合了上述这些技术, 并随这些技术的发展而发展。在智能传感器的设计上, 首先要考虑与外界环境相关的一些物理量信号, 这些物理量信号通过敏感元器件转化为模拟信号, 对这些模拟信号的检测要求满足实时性和准确性的要求。

　　在智能传感器的设计中应采用高精度的数据采集芯片。它的功能是以比较低的成本获得极高的分辨率，芯片上集成有多路开关、可编程增益放大器、增益及零点校正等, 可以直接处理传感器输出的微弱信号, 这样不但简化了设计, 而且在提高系统性能的同时降低了成本。

　　2.1 系统结构及组成

　　只能传感器系统由以下3 部分组成：传感模块、信号处理模块和通讯模块。

　　2.1.1 传感模块

　　传感模块将各种物理量转换为电量，主要由具体的传感单元来实现，如温湿度传感单元、光敏传感单元及气敏传感单元等，其输出包括模拟量、数字量、开关量等。它需要对信号进行检测，这主要是通过对MAX1400的编程来实现的。MAX1400内部各部分电路的工作状态由一组内部寄存器控制。这些内部寄存器包括8个可单独寻址的寄存器。其中通信寄存器主要控制对内部寄存器的访问;两个全局设置寄存器主要用来选择模拟输入通道、设置调制频率、数字抽取滤波器抽取因子、数字滤波器频率响应和其他工作状态;特殊功能寄存器用于控制整个器件;3个传输函数寄存器分别用来设置对应于3个模拟输入通道的PGA 增益和DAC 偏移量;数据寄存器用于保存转换结果。

　　2.1.2 信号处理模块

　　信号处理模块以微处理器为核心，主要完成A\D 转换、数字信号处理和数据输出调度。从智能传感器高可靠性、低功耗、微体积等特点来考虑，选用Winbond 公司的W78E58 单片机，该型号的单片机性价比高、速度快、程序空间大，能很好地满足设计要求。信号处理单元包含微处理芯片和存储器。一方面用来存储传感器的物理特征: 偏移、灵敏度、校准参数,甚至传感器的厂家信息，另一方面微处理器需要根据实际的需要对传感器的输入进行处理和变换, 用来实现数据的处理和补偿, 以及输出校准。网络接口实现智能传感器之间以及它们与检测控制设备之间的互连, 设计中必须保证网络中所有的节点能够满足共同的协议, 实现即插即用功能, 它是对网络中的每个设备最基本的要求。

　　2.1.3 通讯模块

　　通讯模块用来实现本地数据的远程传送及接收远程控制命令等。工业应用中采用的网络形式有多种，现在一般都采用各种现场总线等，我们可以在PC 机上广泛使用的TCP\IP 协议，这是因为TCP\IP协议已经成为计算机网络通信中的事实标准协议, 它具有开放性、低成本、高速度、高可靠性等特点, 而且连网方便, 有众多的应用和开发软件。实现网络接口的方式一般有两种: 软件方式和硬件方式。软件方式是开发者将所采用的协议模式嵌入到特定的芯片中，这种方式的优点是成本低，但实施起来具有一定的困难;硬件方式是直接使用已经嵌入了协议的芯片，使用这些芯片操作简单、使用方便，但它所需要的成本太高，利用这些芯片组网动辄几千元。综合考虑实现的方便性及设备的成本问题, 这里采用的是软硬件结合的方式，就是把协议写入到单片机中，用单片机驱动8029 芯片的网卡来实现网络接口。

　　2.2 智能传感器软硬件结构的设计

　　硬件结构的设计：智能传感器的硬件结构应该包含网络化接口, 这样便于与远程Internet 进行通讯的实现，复杂可编程逻辑器件用于进行单片机与网络芯片8029 之间的逻辑转换，AM 作为收发网络数据缓冲区，EEPROM 用于存放断电需保存的数据, 如本机IP 地址、网关IP 地址等, 这些设置都是智能传感器的硬件结构设计中所必须的设备。

　　软件结构的设计：只能传感器软件设计中的网络接口的实现，采取的是软硬件结合的形式，微处理器2是整个软件设计的核心。一方面, 它要处理传统传感器部分传过来的数据;另一方面, 它要根据IP 地址和端口把待发送的数据压缩成能直接在Internet 传输的数据包送给网络芯片8029 发送, 又要根据8029 芯片的逻辑时序, 对8029 进行控制, 实现网络数据的发送和接收。由上分析可知, 网络接口设计的关键在于完成对待收发数据的解包打包及实现对8029 芯片的控制。

　　3 结语

　　智能传感器是测量技术、半导体技术、计算技术、信息处理技术、微电子学、材料科学互相结合的综合密集型技术。我们需要对其进行进一步的研究，从而与国际自动化技术水平接轨。

　　参考文献：

　　[1]王汝文, 宋政湘, 杨伟. 电器智能化原理及应用[M ]. 北京: 电子工业出版社, 2003.

　　[2]刘光斌, 刘冬, 姚志诚. 单片机系统实用抗干扰技术[M ]. 北京: 人民邮电出版社, 2003

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