智能傳感技術(shù)

智能傳感技術(shù)第1頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月

第十四章智能傳感技術(shù)1智能傳感器概述2智能傳感器的關(guān)鍵技術(shù)3智能傳感器系統(tǒng)的總線標準4智能傳感技術(shù)新發(fā)展第2頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月

傳統(tǒng)傳感器是指：能感受規(guī)定的被測量，定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換器件組成。

智能傳感器定義為：集成有傳感器，帶有微處理器，具有信息監(jiān)測與處理功能的器件或裝置叫智能傳感器。智能傳感器是由傳統(tǒng)的傳感器和微處理器(或微計算機)相結(jié)合而構(gòu)成的．它充分利用微處理器的計算和存儲能力，對傳感器的數(shù)據(jù)進行處理．并能對它的內(nèi)部行為進行調(diào)節(jié)．使采集的數(shù)據(jù)最佳。知識點1什么是智能傳感器第3頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月

微處理器是智能傳感器的核心，它不但可以對傳感器的測量數(shù)據(jù)進行計算、存儲、數(shù)據(jù)處理，還可以通過反饋回路對傳感器進行調(diào)節(jié)。由于微處理器充分發(fā)揮各種軟件的功能，可以完成硬件難以完成的任務(wù)，從而大大降低了傳感器制造的難度，提高傳感器的性能，降低成本。第4頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月智能傳感器比傳統(tǒng)傳感器在功能上有極大提高，幾乎包括儀器儀表的全部功能，主要表現(xiàn)在：⑴邏輯判斷、統(tǒng)計處理功能⑵自檢、自診斷和自校準功能⑶軟件組態(tài)功能⑷雙向通信和標準化數(shù)字輸出的功能⑸人機對話功能⑹信息存儲與記憶功能這些功能決定了智能傳感器具有高的準確性、靈活性、可靠性以及性價比。知識點2智能傳感器的基本功能第5頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月

智能傳感器具有通過軟件對前端傳感器進行非線性的自動校正功能，即能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器輸入-輸出的線性化。智能傳感器線性化校正原理框圖

智能傳感器輸入-輸出特性線性化原理知識點3如何處理非線性問題第6頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月非線性自動校正方法主要有查表法、曲線擬合法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法三種1.查表法

查表法是一種分段線性插值方法。根據(jù)準確度要求對非線性曲線進行分段，用若干折線逼進非線性曲線。插值表達式的通式為：Yi=xi=xk+(xk+1-xk)(ui-uk)/uk+1-uk第7頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月2.曲線擬合法

曲線擬合法通常采用n次多項式來逼近反非線性曲線，多項式方程的各個系數(shù)由最小二乘法確定。步驟如下：

①對傳感器及其調(diào)理電路進行靜態(tài)試驗標定，得到校準曲線。

②設(shè)反非線性曲線擬合多項式方程為：Xi(ui)=a0+a1ui+a2ui2+…+anuin

③根據(jù)最小二乘法原則求解待定系數(shù)。

曲線擬合法的缺點在于當有噪聲存在時，利用最小二乘法原則確定待

定系數(shù)時可能會遇到病態(tài)而無法求解。

第8頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月

智能傳感器自診斷技術(shù)俗稱“自檢”，要求對智能傳感器自身各部件，包括軟件和硬件進行檢測，如ROM、RAM、寄存器、插件、A/D及D/A轉(zhuǎn)換電路及其它硬件資源等的自檢驗，以及驗證傳感器能否正常工作，并顯示相關(guān)信息。

對傳感器進行故障診斷主要以傳感器的輸出值為基礎(chǔ)的，主要有：①硬件冗余診斷法②基于數(shù)學(xué)模型的診斷法③基于信號處理的診斷法④基于人工智能的故障診斷法知識點4如何進行自檢參數(shù)估計診斷法狀態(tài)估計診斷法直接信號比較法基于主成分分析基于小波變換的診斷方法基于專家系統(tǒng)的診斷方法基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷方法第9頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月

傳感器的電磁兼容性是指傳感器在電磁環(huán)境中的適應(yīng)性，它要求傳感器在同一時空環(huán)境的其它電子設(shè)備相互兼容，既不受電磁干擾的影響，也不會對其它電子設(shè)備產(chǎn)生影響。

抑制傳感器電磁干擾可以從以下幾個方面考慮：

一是削弱和減少噪聲信號的能量；

二是破壞干擾的路徑；

三是提高線路本身的抗干擾能力。

提高抗干擾能力具體方法有以下幾種：

一是電磁屏蔽：是抑制干擾耦合的有效途徑；二是接地：是消除傳導(dǎo)干擾耦合的重要措施；

三是元器件選擇：采用降額原則并選擇高精密的元器件；

四是合理設(shè)計電路板：盡量減少閉合回路所包含的面積。

知識點5

怎樣提高傳感器抗干擾能力？第10頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月

1-Wire總線采用一種特殊的總線協(xié)議，通過單條連接線解決了控制、通信和供電問題，是具備電子標識、傳感器、控制和存儲等多種功能的器件。其適用于單個主機系統(tǒng)控制一個或多個從機設(shè)備，在分布式低速測控系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用。

1-wire總線具有以下特點：結(jié)構(gòu)簡單成本低節(jié)省I/O口資源便于總線擴展和維護

知識點61-Wire總線的特點是什么？第11頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1-Wire單總線器件的硬件結(jié)構(gòu)1-wire的硬件結(jié)構(gòu)

內(nèi)部等效電路第12頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1-Wire單總線器件的時序

訪問1-wire器件要求遵循標準的1-wire協(xié)議，支持16kb/s的正常速率及142kb/s的高速模式。1-wire協(xié)議定義了復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫0、寫1、讀0和讀1等幾種時序。

初始化時序圖寫1時序圖第13頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月寫0時序圖

讀0、1時序圖第14頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月

I2C總線是Philips公司20世紀80年代推出的一種用于IC器件之間的二線制串行擴展總線，它可以有效地解決數(shù)字電路設(shè)計過程中所涉及到的許多接口問題。I2C總線的特點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①簡化硬件設(shè)計，總線只需要兩根線

串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時鐘線（SCI）

②器件地址的唯一性每個連接到總線的器件都可以通過唯一的地址和一直存在的簡單的主機/從機關(guān)系軟件設(shè)定地址。

③允許有多個主I2C器件

I2C總線上允許有多個主器件，總線協(xié)議中有沖突檢測和仲裁機制，以防止通信中的數(shù)據(jù)丟失或錯誤；

④多種通信速率模式

I2C總線在標準模式下的速率為100kbit/s，快速模式下為400kbit/s，高速模式下為3.4Mbit/s；

⑤節(jié)點可帶電接入或撤出（熱插拔）各個節(jié)點電源獨立，可以實現(xiàn)節(jié)點的帶電接入或移除（熱插拔）知識點7I2C總線的特點的特點是什么？第15頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月1.

I2C總線的電氣結(jié)構(gòu)

I2C總線接口內(nèi)部為雙向傳輸電路，總線端口輸出為開漏結(jié)構(gòu)，總線上必須有上拉電阻。

總線的電氣結(jié)構(gòu)圖第16頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月2.I2C總線時序

I2C總線上數(shù)據(jù)傳遞時序圖如圖所示?？偩€上傳送的每一幀數(shù)據(jù)均為一個字節(jié)。發(fā)送時，首先發(fā)送的是數(shù)據(jù)的最高位。每次傳送開始有起始信號，結(jié)束時有停止信號。在總線傳送完一個字節(jié)后，可以通過對時鐘線的控制使傳送暫停。

總線上數(shù)據(jù)傳遞時序圖第17頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月3.基于I2C接口的集成數(shù)字溫度傳感器LM75A

介紹一種具有I2C接口的集成數(shù)字溫度傳感器LM75A，它既可以作為溫度測量裝置使用，還可以作為溫度控制裝置使用。表13-1LM75A的管腳描述表管腳

編號助記

符描述1SDAI2C串行雙向數(shù)據(jù)線，開漏輸出；2SCLI2C串行時鐘輸入；3OS過熱關(guān)斷輸出，開漏輸出；4GND地5A2數(shù)字輸入，用戶定義的地址位2；6A1數(shù)字輸入，用戶定義的地址位1；7A0數(shù)字輸入，用戶定義的地址位0；8VCC電源圖14-18LM75A數(shù)字溫度傳感器的功能框圖第18頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月

SPI總線是Motorola公司推出的一種同步串行外設(shè)接口技術(shù)。SPI接口是在CPU與外圍器件之間進行同步串行數(shù)據(jù)傳輸，在主器件的移位脈沖下，數(shù)據(jù)按位傳輸，高位在前，低位在后，為全雙工通信，數(shù)據(jù)傳輸速度總體來說比I2C總線要快，速度可達幾Mbps。SPI總線的特點主要有以下幾點：①高效的、全雙工、同步的通信總線；

②簡單易用：只需要占用四根線，節(jié)約管腳，為PCB布局節(jié)省了空間；

③可同時發(fā)出、接收串行數(shù)據(jù)；

④可當作主機或從機工作，頻率可編程；

⑤具有寫沖突保護、總線競爭保護等功能。知識點8SPI總線的特點是什么？第19頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月1.SPI總線的連接結(jié)構(gòu)

SPI總線可以同時發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)。它只需四條線就可以完成MCU與各種外圍器件的通訊，這四條線是：串行時鐘線（SCK）、主機輸入/從機輸出數(shù)據(jù)線（MISO）、主機輸出/從機輸入數(shù)據(jù)線（MOSI）、低電平有效從機選擇線。SPI總線連接結(jié)構(gòu)圖第20頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月2.SPI總線的時序第21頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月3.基于SPI總線的智能溫度傳感器LM74

圖14-25LM74的內(nèi)部電路框圖圖14-26LM74與68HC11構(gòu)成的典型電路第22頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月

USB（通用串行總線）不是一種新的總線標準，而是應(yīng)用于PC領(lǐng)域的新型總線技術(shù)。先后已經(jīng)制訂了USB1.0、USB1.1和USB2.0等規(guī)范，USB3.0規(guī)范的技術(shù)樣本也已經(jīng)公布。USB總線有如下特點：①速度快

USB1.1支持高速模式，傳送速率為12Mbit/s,比標準串口大約快100倍；USB2.0支持全速模式，傳輸速度480Mbit/s;USB3.0傳輸速度為5Gbit/s。

②連接簡單快捷可以在正在運行的電腦上安全地連接或斷開一個USB設(shè)備而不需要重啟系統(tǒng)。

③無須外接電源和低功耗USB總線可提供最大5V的電壓，電流500mA。

④支持多連接USB總線可以同時掛接多個USB設(shè)備，理論上可達127個。

⑤良好的兼容性USB總線具有良好的向下兼容性。知識點9USB總線的特點是什么？第23頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月1.USB的物理接口和電氣特性

USB(2.0以下版本)的電氣接口由4條線構(gòu)成，用以傳送信號和提供電源，如圖14-27所示。圖14-27USB電纜USB主機或根集線器對設(shè)備提供的對地電源電壓為4.75-5.25V，設(shè)備能吸入的最大電流值為500mA。USB設(shè)備的電源供給有自給方式（設(shè)備自帶電源）和總線供給兩種方式。第24頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月2.USB的系統(tǒng)組成和拓撲結(jié)構(gòu)圖14-28USB系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖①USB主機的功能：管理USB系統(tǒng)；每毫秒產(chǎn)生一幀數(shù)據(jù)；發(fā)送配置請求對USB設(shè)備進行配置操作；對總線上的錯誤進行管理和恢復(fù)。②USB外設(shè)在一個USB系統(tǒng)中：USB外設(shè)和集線器總數(shù)不能超過127個。③集線器用于設(shè)備擴展連接：所有USB外設(shè)都連接在USBHub的端口上。第25頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月3.USB的傳輸方式

針對設(shè)備對系統(tǒng)資源需求的不同,在USB規(guī)范中規(guī)定了4種不同的數(shù)據(jù)傳輸方式：①等時傳輸方式

等時傳輸方式即以固定的傳輸速度連續(xù)不斷地在主機與USB之間傳輸數(shù)據(jù)。②中斷傳輸方式該方式傳送的數(shù)據(jù)量很小，但這些數(shù)據(jù)需要及時處理，以達到實時效果。③控制傳輸方式

用設(shè)備控制指令，設(shè)備狀態(tài)查詢及確認命令來處理主機USB設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。④批傳輸方式

由于傳輸要求無誤的要求。

在這些數(shù)據(jù)傳輸方式中，除等時傳輸方式外，其他3種方式在數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生錯誤時，都會試圖重新發(fā)送數(shù)據(jù)以保證其準確性。第26頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月

隨著微機械電子、人工智能、計算機技術(shù)的快速發(fā)展，智能傳感器的“智能”含義不斷深化，許多智能傳感新模式陸續(xù)出現(xiàn)。這里介紹近年智能傳感器其中兩個研究熱點——嵌入式智能傳感器和陣列式智能傳感器。

1.嵌入式智能傳感器嵌入式智能傳感器一般是指應(yīng)用了嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、智能理論和傳感器技術(shù)，具備網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，并且集成了多樣化外圍功能的新型傳感器系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)如圖所示：

知識點10智能傳感技術(shù)的發(fā)展趨勢

圖14-49嵌入式智能傳感器第27頁，課件共