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第 7 章 智 能 传 感 器. 7.1 智能传感器的基本特点. 1. 智能传感器的定义. 目前，智能传感器的中、英文称谓尚未完全统一。英国人将智能传感器称为 “ Intelligent Sensor ” ；美国人则习惯于把智能传感器称做 “ Smart Sensor ” ，直译就是 “ 灵巧的、 聪明的传感器 ” 。 . 所谓智能传感器，就是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器。智能传感器的最大特点就是，将传感器检测信息的功能与微处理器的信息处理功能有机地融合在一起。从一定意义上讲，它具有类似于人工智能的作用。. “ 带微处理器”包含两种情况：
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第7章 智 能 传 感 器 7.1 智能传感器的基本特点 1. 智能传感器的定义 目前，智能传感器的中、英文称谓尚未完全统一。英国人将智能传感器称为“Intelligent Sensor”；美国人则习惯于把智能传感器称做“Smart Sensor”，直译就是“灵巧的、 聪明的传感器”。
所谓智能传感器，就是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器。智能传感器的最大特点就是，将传感器检测信息的功能与微处理器的信息处理功能有机地融合在一起。从一定意义上讲，它具有类似于人工智能的作用。 所谓智能传感器，就是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器。智能传感器的最大特点就是，将传感器检测信息的功能与微处理器的信息处理功能有机地融合在一起。从一定意义上讲，它具有类似于人工智能的作用。 “带微处理器”包含两种情况： 1）将传感器与微处理器集成在一个芯片上构成所谓的“单片智能传感器”； 2）指传感器能够配微处理器。显然，后者的定义范围更宽， 但二者均属于智能传感器的范畴。
2. 智能传感器的功能 (1) 具有自动调零、自动校准、自动标定功能。智能传感器不仅能自动检测各种被测参数，还能进行自动调零、自动调平衡、 自动校准， 某些智能传感器还能自动完成标定工作。 (2) 具有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(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)。例如，在带有温度补偿和静压力补偿的智能差压传感器中，当被测量的介质温度和静压力发生变化时，智能传感器中的补偿软件能自动依照一定的补偿算法进行补偿，以提高测量精度。
(3) 具有自诊断功能。智能传感器通过自检软件，能对传感器和系统的工作状态进行定期或不定期的检测，诊断出故障的原因和位置并作出必要的响应，发出故障报警信号，或在计算机屏幕上显示出操作提示(PPT系列智能精密压力传感器即有此项功能)。 (4) 具有组态功能，使用灵活。在智能传感器系统中，可设置多种模块化的硬件和软件，用户可通过微处理器发出指令， 改变智能传感器的硬件模块和软件模块的组合状态，完成不同的测量功能。
(5) 具有数据存储和记忆功能， 能随时存取检测数据。 (6) 具有双向通信功能，能通过RS－232、RS－485、 USB、 I2C等标准总线接口，直接与微型计算机通信。
7.2 智能传感器发展的历史背景 自动化(控制)系统框图
传统的传感器技术已达到其技术极限。 它的价格性能比不可能再有大的下降。 它在以下几方面存在严重不足： • ·因结构尺寸大， 而时间(频率)响应特性差； • ·输入—输出特性存在非线性， 且随时间而漂移； • ·参数易受环境条件变化的影响而漂移； • ·信噪比低， 易受噪声干扰； • ·存在交叉灵敏度， 选择性、 分辨率不高。
现场总线是连接测控系统中各智能装置(包括智能传感器)的双向数字通信网络。其主要特点是：现场总线是连接测控系统中各智能装置(包括智能传感器)的双向数字通信网络。其主要特点是： 1. 传输数字信号 用数字信号取代原来的 4～20 mA标准模拟信号， 进而提高可靠性和抗干扰能力。这就要求传感器由可输出 4～20 mA标准信号的变送器改变为带数字总线接口并输出数字信号。所有现场传感器， 通过数字总线接口都方便地挂接在一条环形现场总线上。这样可以大大削减现场与控制室(高/上位计算机)之间一对一的连接导线， 节约初期安装费用，大大简化整个系统的布线和设计。这种节约对一个大型、 多点测量系统是很有意义的， 譬如：
这种节约对一个大型、 多点测量系统是很有意义的，譬如： • 一个电站 需要5 000 台传感器及其仪表； • 一个钢铁厂 需要2 万台传感器及其仪表； • 大型石油化工厂需要6 000 台传感器及其仪表； • 大型发电机组 需要3 000 台传感器及其仪表； • 一部汽车 需要30 至 100 台传感器； • 一架飞机 需要3 600 台传感器； • …
2. 标准化 总线采用统一标准，使系统具有开放性。不同厂家的产品， 在硬件、软件、通信规程、连接方式等方面互相兼容、 互换联用，既方便用户使用，又易于安装维修。不少大公司都推出了自己的现场总线标准。国际化的统一标准的工作正在加紧进行中。
3. 智能化 采用智能与控制职能分散下放到现场装置的原则，现场总线网络的每一节点处安装的现场仪表应是“智能”型的，即安装的传感器应是“智能传感器”。在这种控制系统中，智能型现场装置是整个控制管理系统的主体。这种基于现场总线的控制系统， 要求必须使用智能传感器， 而不是一般传统的传感器。 智能传感器代表了传感器的发展方向，这种智能传感器带有标准数字总线接口，能够自己管理自己。它将所检测到的信号经过变换处理后，以数字量形式通过现场总线与高/上位计算机进行信息通信与传递。
7.3. 智能传感器的特点 1) 高精度 由于智能传感器采用了自动调零、自动补偿、自动校准等多项新技术，因此其测量精度及分辨力都得到大幅度提高。 例如，美国霍尼韦尔(Honeywell)公司推出的PPT系列智能精密压力传感器，测量液体或气体的精度为±0.05％，比传统压力传感器的精度大约提高了一个数量级。美国BB(BURRBROWN)公司生产的XTR系列精密电流变送器，转换精度可达±0.05％，非线性误差仅为±0.003％。
2) 宽量程 智能传感器的测量范围很宽，并具有很强的过载能力。例如，美国ADI公司推出的ADXRS300型单片偏航角速度陀螺仪集成电路，能精确测量转动物体的偏航角速度，测量范围是(-300～300)°/s。用户只需并联一只合适的设定电阻， 即可将测量范围扩展到1200°/s。该传感器还能承受1000 g的运动加速度或2000 g的静力加速度。 Honeywell公司的智能精密压力传感器，量程从6.8946 kPa～3.4473 MPa，总共有10种规格。
3) 多功能 多参数、多功能测量，也是新型智能传感器的一大特色。 瑞士Sensirion公司最新研制的SHT11/15型高精度、 自校准、多功能式智能传感器，能同时测量相对湿度、温度和露点等参数， 兼有数字温度计、湿度计和露点计这3种仪表的功能，可广泛用于工农业生产、环境监测、 医疗仪器、通风及空调设备等领域。 Honeywell公司推出的APMS－10G 型智能传感器，内含混浊度传感器、电导传感器、温度传感器、 A/D转换器、微处理器(μP)和单线I/O接口，能同时测量液体的混浊度、电导及温度并转换成数字输出，是进行水质净化和设计清洗设备的优选传感器。
4) 自适应能力强 某些智能传感器还具有很强的自适应能力。例如， US0012是一种基于数字信号处理器和模糊逻辑技术的高性能智能化超声波干扰探测器集成电路，它对温度环境等自然条件具有自适应(Selfadaptive)能力。 美国Mierosemi公司、 Agilent公司最近相继推出了能实现人眼仿真的集成化可见光亮度传感器，其光谱特性及灵敏度都与人眼相似，能代替人眼去感受环境亮度的明暗程度，自动控制LCD显示器背光源的亮度，以充分满足用户在不同时间、不同环境中对显示器亮度的需要。
5) 高可靠性 美国Atmel公司最近推出的FCD4B14、AT77C101B型单片硅晶体指纹传感器集成电路，抗磨损性强，在指纹传感器的表面有专门的保护层，手指接触磨损的次数可超过百万次。 6) 高性价比 性价比的全称为性能价格比，它表示某种商品的性能价值与实际价格之比。因此，高性价比就意味着品质优良而价格适宜，真正“物超所值”。 智能传感器通常都具有较高的性价比，例如，美国Veridicom公司推出的第三代CMOS固态指纹传感器，增加了图像搜索、高速图像传输等多种新功能，其成本却低于第二代CMOS固态指纹传感器，因此具有更高的性价比。
7) 超小型化、微型化 随着微电子技术的迅速推广，智能传感器正朝着短、小、 轻、薄的方向发展，以满足航空、航天及国防尖端技术领域的急需，并且为开发便携式、袖珍式检测系统创造了有利条件。 例如，前面提到的SHT11/15智能传感器，外形尺寸仅为7.62 mm(长)×5.08 mm(宽)×2.5 mm(高)，质量只有0.1 g， 其体积与一个大火柴头相近。LX1970型集成可见光亮度传感器的外形尺寸仅为2.95 mm×3 mm×1 mm。
8) 微功耗 降低功耗对智能传感器具有重要意义。这不仅可简化系统电源及散热电路的设计，延长智能传感器的使用寿命，还为进一步提高智能传感器芯片的集成度创造了有利条件。 智能传感器普遍采用大规模或超大规模CMOS电路，使传感器的耗电量大为降低，有的可用叠层电池甚至纽扣电池供电。 暂时不进行测量时，还可采用待机模式将智能传感器的功耗降至更低。例如，FPS200型指纹传感器在待机模式下的功耗仅为100 μW。
9) 高信噪比 智能传感器具有信号放大及信号调理功能，可大大提高传感器的信噪比。例如，ADXRS300型单片偏航角速度陀螺仪能在噪声环境下保证测量精度不变， 其角速度噪声密度低至0.2°/(s )。
7.4 智能传感器实现的途径 1.4.1 非集成化实现 非集成式智能传感器框图
1.4.2 集成化实现 集成智能传感器外形示意图
现代传感器技术，是指以硅材料为基础(因为硅既有优良的电性能，又有极好的机械性能)，采用微米(1 μm～1 mm)级的微机械加工技术和大规模集成电路工艺来实现各种仪表传感器系统的微米级尺寸化。国外也称它为专用集成微型传感技术(ASIM)。 由此制作的智能传感器的特点是： 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。 美国最近研究成功的微型加速度计可以使火箭或飞船的制导系统质量从几公斤下降至几克。
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。传统的做法是先分别由宏观机械加工金属圆膜片与圆柱状环，然后把二者粘贴形成周边固支结构的“金属杯”，再在圆膜片上粘贴电阻变换器(应变片)而构成压力(差)传感器，这就不可避免地存在蠕变、迟滞、非线性特性。采用微机械加工和集成化工艺， 不仅“硅杯”一次整体成型，而且电阻变换器与硅杯是完全一体化的。进而可在硅杯非受力区制作调理电路、微处理器单元，甚至微执行器， 从而实现不同程度的， 乃至整个系统的一体化。
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。后续的信号调理电路与敏感元件一体化后可以大大减小由引线长度带来的寄生参量的影响，这对电容式传感器更有特别重要的意义。
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，美国霍尼韦尔公司， 80 年代初期生产的ST-3000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、 压差及温度三个参量的，具有三种功能(可测压力、 压差、温度)的敏感元件结构的传感器。不仅增加了传感器的功能， 而且可以通过采用数据融合技术消除交叉灵敏度的影响， 提高传感器的稳定性与精度(详细讨论见6.2.2节)。
5. 阵列式 微米技术已经可以在一平方厘米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8 mm×8 mm的硅片上制作了1024个(32×32)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16 000个。 敏感元件构成阵列后，配合相应图像处理软件，可以实现图形成像且构成多维图像传感器。这时的智能传感器就达到了它的最高级形式。
6. 全数字化 通过微机械加工技术可以制作各种形式的微结构。 其固有谐振频率可以设计成某种物理参量(如温度或压力)的单值函数。因此可以通过检测其谐振频率来检测被测物理量。这是一种谐振式传感器， 直接输出数字量(频率)。 它的性能极为稳定、精度高、不需A/D转换器便能与微处理器方便地接口。免去A/D转换器，对于节省芯片面积、简化集成化工艺，均十分有利。
7. 使用极其方便， 操作极其简单 它没有外部连接元件，外接连线数量极少，包括电源、通讯线可以少至四条，因此，接线极其简便。它还可以自动进行整体自校， 无需用户长时间地反复多环节调节与校验。“智能”含量越高的智能传感器， 它的操作使用越简便， 用户只需编制简单的使用主程序。这就如同“傻瓜”照相机的操作比不是“傻瓜”照相机的经典式照相机要简便得多一样的道理。 根据以上特点可以看出：通过集成化实现的智能传感器，为达到高自适应性、高精度、高可靠性与高稳定性，其发展主要有以下两种趋势：
1)： 多功能化与阵列化， 加上强大的软件信息处理功能； 2) ： 发展谐振式传感器， 加软件信息处理功能。 例如， 压阻式压差传感器是采用微机械加工技术最先实用化的集成传感器，但是它受温度与静压影响，总精度只能达到0.1%。 致力于改善它的温度性能花费了近20余年时间却无重大进展， 因而有的厂家改为研制谐振式压力传感器， 而美国霍尼韦尔公司则发展多功能敏感元件(如：ST-3000型智能变送器)，通过软件进行多信息数据融合处理改善了稳定性，提高了精度。
要在一块芯片上实现智能传感器系统存在着许多困难的、 棘手的难题。 例如： ·哪一种敏感元件比较容易采用标准的集成电路工艺来制作? ·选用何种信号调理电路， 如精密电阻、 电容、 晶振等， 不需要外接元件? ·由于直接转换型A/D变换器电路太复杂， 制作了敏感元件后留下的芯片面积有限， 需要寻求其它模—数转换的型式。 如： 电压/频率变换器、 占空比调制式、……。
·由于芯片面积有限制，以及制作敏感元件与数字电路的优化工艺的不兼容性，微处理器系统及可编程只读存储器的规模、 复杂性与完善性受到很大限制。 ·对功耗与自热、 电磁耦合带来的相互影响， 在一块芯片内如何消除?
9.4.3 混合实现 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三块芯片上，并装在一个外壳里。如图1-6中所示的几种方式。 集成化敏感单元包括(对结构型传感器)弹性敏感元件及变换器。 信号调理电路包括多路开关、 仪用放大器、 基准、 模/数转换器(ADC)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/模转换器(DAC)等)。
1.4.4 集成化智能传感器的几种形式 1. 初级形式 初级形式就是组成环节中没有微处理器单元，只有敏感单元与(智能)信号调理电路，二者被封装在一个外壳里。这是智能传感器系统最早出现的商品化形式， 也是最广泛使用的形式， 也被称为“初级智能传感器”(Smart Sensor)。 从功能来讲， 它只具有比较简单的自动校零、非线性的自动校正、温度自动补偿功能。这些简单的智能化功能是由硬件电路来实现的。故通常称该种硬件电路为智能调理电路。
2. 中级形式/自立形式 中级形式是在组成环节中除敏感单元与信号调理电路外，必须含有微处理器单元，即一个完整的传感器系统全部封装在一个外壳里的形式。它具有9.2.1节所列完善的智能化功能，这些智能化功能主要是由强大的软件来实现的。
3. 高级形式 高级形式是集成度进一步提高，敏感单元实现多维阵列化时，同时配备了更强大的信息处理软件，从而具有更高级的智能化功能的形式。这时的传感器系统不仅具有9.2.1节所述的完善的智能化功能，而且还具有更高级的传感器阵列信息融合功能， 或具有成像与图像处理等功能。 对于集成化智能传感器系统而言，集成化程度越高，其智能化程度也就越可能达到更高的水平。
7.5 多通道智能温度传感器 1. AD7417的性能特点 (1) 能同时对4路远程温度和1路本地温度进行精确地测量及控制。片内有本地温度转换器、多路转换器(MUX)和10位逐次逼近式A/D转换器。 内置传感器就作为多路转换器的0通道， 1～4通道需接外部传感器。AD7417的转换速率极快，对本地传感器的转换时间为30μs，对每路远程传感器的转换时间仅为15 μs。
(2) 测温范围为-55～125℃，分辨力为0.25℃。在环境温度为25℃时的精度可达±1℃，在-55～125℃范围内的精度为±2℃。 (3) 带I2C总线接口，进行读、写操作非常简便， 适配80C51、87C51、 68HC11、68HC05、 PIC16CXX等各种型号的单片机；其串行接口遵守Motorola公司的SPI、QSPI总线协议并与NSC公司的Micro Wire总线兼容。
(4) 具有超温指示器，当被测温度超过上限温度时， OTI端就被激活。AD7417还具有内部故障排队计数器， 能提高温度控制系统的抗干扰能力。 (5) 电源电压范围为2.7～5.5 V，典型值可取3.3 V或5 V。 正常工作电流为600 μA，在待机模式下电流降至1 μA。
2. AD7417的工作原理 16引脚的SOIC(Small Outline Integrated Circuit Package)。UIN1～UIN4为4个模拟通道输入端。UREF为外部2.5V基准电压输入端，使用内部基准电压时须将UREF端与地短接；CONVST为转换开启信号端。 A0～A2为地址码输入端。SDA、SCL分别为串行数据、串行时钟端。 OTI为超温报警输出端， 漏极开路输出。UDD为2.7～5.5 V电源端。GND为数字地，NC为空脚。
AD7417内部主要包括9部分： ① 内置温度传感器； ②2.5 V基准电压源UREF； ③ 多路转换器(MUX)； ④ 逐次逼近式A／D转换器(含取样电容、电荷平衡比较器、时钟振荡器、控制逻辑和电荷分配式DAC)； ⑤ 内基准／外基准转换开关(SW1)： ⑥ 温度数据寄存器、配置寄存器1和2、超温寄存器(包括超下限温度tHYST和超上限温度tOTI)、ADC寄存器和地址指针寄存器； ⑦ 数字比较器； ⑧ 数据输出电路； ⑨ I2C接口。此外还有故障排队计数器等
AD7417内部包含一个单片温度传感器， 将被测温度转换成电压信号，再经过10位A/D转换器转换为数字量。它采用基于电荷分配DAC的10位逐次逼近式A/D转换器。 在对模拟信号取样时，UIN经过SW2对取样电容C1进行充电，使C1上储存电荷。在对该电荷进行取样时，末位数值为1/2LSB。 1LSB的大小等于UREF/1024=2.5 V/1024=2.44 mV。对AD7417而言，一次A/D转换是以CONVST信号的上升沿作为开启信号，而以CONVST的下降沿作为结束信号的。在自动转换模式下，每当进行读、写操作时，就自行启动A/D转换；操作结束时，跟踪/保持电路经过3 μs后进入保持模式，并开始下次转换。跟踪/保持时间为400 μs。A/D转换所需要的时钟由内部提供，它不需要外部时钟。 工作原理
3. AD7417的典型应用 AD7417配上微处理器(μP)或单片机(μC)，可构成5通道温度测控系统。模拟通道的输入电压分别取自外部PN结温度传感器的输出信号。 采用外基准时可选择AD780或MC1403型2.5 V基准电压源，在UREF引脚与GND之间接一只10 μF电容C3。C1和C2分别为电源退耦电容和高频消噪电容。SDA和SCL就构成了I2C串行接口。上电后AD7417的默认值为tOTI=80℃，tHYST=75℃， OTI输出低电平。
7.6 MAX1668型5通道精密智能温度传感器 1. MAX1668的性能特点 MAX1668属于多通道智能温度传感器，可同时对5路(或3路)温度进行测量及控制。内部包含了本地温度传感器、多路转换器、8位(含符号位)A／D转换器、控制逻辑和21个寄存器，5个数字比较器，能以最简方式构成多路温度巡回检测及控制系统， 特别适合测量微处理器芯片的温度。
