《傳感器原理及應(yīng)用技術(shù) 》課件第10章

10.1智能傳感器結(jié)構(gòu)框圖10.2智能傳感器的結(jié)構(gòu)框圖10.3信號(hào)處理與μP接口技術(shù)10.4智能傳感器中的數(shù)據(jù)處理10.5智能傳感器的設(shè)計(jì)思考題與習(xí)題第10章智能傳感器10.1智能傳感器及無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展的微處理機(jī)技術(shù)推動(dòng)和影響著其他技術(shù)領(lǐng)域的變革。把微處理機(jī)技術(shù)引入傳感器，可以使傳感器實(shí)現(xiàn)過(guò)去實(shí)現(xiàn)不了的功能，具有智能本領(lǐng)，這就是新一代的傳感器——智能傳感器（IntelligentSensor或SmartSensor）。在傳感器中采用微處理機(jī)是構(gòu)成智能傳感器的關(guān)鍵。圖10.1示出了這種設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單框圖。圖10.1將微處理機(jī)引入傳感器的簡(jiǎn)單框圖由圖10.1可見(jiàn)，傳感元件（這里一般包括對(duì)模擬量進(jìn)行處理、修正、補(bǔ)償?shù)鹊碾娐罚┑妮敵觯ㄒ话闶悄M量）進(jìn)行數(shù)字變換后送入微處理機(jī)，微處理機(jī)按照這個(gè)輸入信號(hào)，通過(guò)預(yù)先編制的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并把輸出送到CRT顯示或送到磁盤(pán)、打印機(jī)進(jìn)行記錄，或送到高一級(jí)計(jì)算機(jī)與其他數(shù)據(jù)一起進(jìn)行綜合處理。此外，微處理機(jī)還可以把傳感元件框圖中包含的電路與輸入端斷開(kāi)，通過(guò)微機(jī)進(jìn)行漂移修正、零點(diǎn)或增益調(diào)整，或?qū)Νh(huán)境條件的變動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。如果把框圖中的各部分構(gòu)成一個(gè)整體，組裝在同一殼體內(nèi)，那么從整體來(lái)看，就是一個(gè)智能化的傳感器。如果把各部分通過(guò)超大規(guī)模集成電路集成在一起，那么就構(gòu)成了更高級(jí)的集成一體化的智能傳感器。圖10.2所示為某一集成一體化的智能傳感器的結(jié)構(gòu)，它將智能傳感器的各部分通過(guò)一定的工藝，分層集成在一塊半導(dǎo)體硅片上。圖10.2集成一體化的智能傳感器的結(jié)構(gòu)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetworks,WSN）是計(jì)算、通信和傳感器這三項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。智能傳感器等信息獲取技術(shù)和傳送技術(shù)的進(jìn)步為傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其展開(kāi)快速、抗毀性強(qiáng)、監(jiān)測(cè)精度高、覆蓋區(qū)域大等特點(diǎn)而應(yīng)用前景廣闊，已成為當(dāng)前信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)將成為影響人類(lèi)未來(lái)生活的重要技術(shù)之一，將應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。在軍事上，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)可用來(lái)建立一個(gè)集命令、控制、通信、計(jì)算、智能、監(jiān)視、偵察和定位于一體的戰(zhàn)場(chǎng)指揮系統(tǒng)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是由密集型、低成本、隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)組成的，自組織性和容錯(cuò)能力使其不會(huì)因?yàn)槟承┕?jié)點(diǎn)在惡意攻擊中損壞而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰，也正是基于這些特點(diǎn)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，通過(guò)聲敏、壓力、熱釋電紅外等傳感器偵探敵方陣地動(dòng)靜，人員、車(chē)輛行動(dòng)情況，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)督、戰(zhàn)場(chǎng)損失評(píng)估等。在醫(yī)療上，如果在住院病人身上安裝特殊用途的傳感器節(jié)點(diǎn)，則醫(yī)生就可以隨時(shí)了解被監(jiān)護(hù)病人的情況，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，掌握他們的身體狀況，如實(shí)時(shí)掌握體溫、血壓、血糖、脈搏等情況，一旦發(fā)生危急情況可在第一時(shí)間實(shí)施救助，也可實(shí)現(xiàn)在人體內(nèi)植入人工視網(wǎng)膜（由傳感器陣列組成），讓盲人重見(jiàn)光明，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)將為未來(lái)的遠(yuǎn)程醫(yī)療提供更加方例、快捷的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段。在商業(yè)上，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)居民小區(qū)、家居環(huán)境、樓宇、工作環(huán)境智能化，例如，嵌入家電和家具中的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與Internet連接在一起將會(huì)為人們提供更加舒適、方便和具有人性化的智能家居和辦公環(huán)境。在工業(yè)上，如工廠(chǎng)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)、倉(cāng)儲(chǔ)管理、檢測(cè)監(jiān)控等方面都將有全新的設(shè)計(jì)和應(yīng)用模式。

在環(huán)境保護(hù)上，隨著人們對(duì)生存的自然環(huán)境日益重視，環(huán)境科學(xué)所涉及的范圍也越來(lái)越廣泛。通過(guò)傳統(tǒng)方式采集原始數(shù)據(jù)變得越來(lái)越困難，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)為野外隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了方便，可以實(shí)現(xiàn)諸如野生動(dòng)植物棲息地生態(tài)環(huán)境監(jiān)控、生物多樣性監(jiān)控、森林火情監(jiān)控、河道水文監(jiān)測(cè)、水災(zāi)預(yù)警等作用。在農(nóng)業(yè)上，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)可監(jiān)測(cè)農(nóng)作物中的病蟲(chóng)害、土壤的酸堿度、施肥狀況、土壤濕度以及實(shí)現(xiàn)灌溉等自動(dòng)化?？梢灶A(yù)料，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會(huì)不斷地產(chǎn)生新的應(yīng)用模式，開(kāi)辟新的應(yīng)用領(lǐng)域，從各個(gè)方面將給我們的生活帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)略體系結(jié)構(gòu)圖如圖10.3所示。整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)（sink節(jié)點(diǎn)）、互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心組成。拋撒在感興趣區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，采集數(shù)據(jù)之后以多跳中繼方式將數(shù)據(jù)傳回sink節(jié)點(diǎn)，由sink節(jié)點(diǎn)將收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行處理。在這個(gè)過(guò)程中，傳感器節(jié)點(diǎn)既充當(dāng)感知節(jié)點(diǎn)，又充當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的路由器。整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)融合的數(shù)據(jù)相當(dāng)于來(lái)自一個(gè)分布式的數(shù)據(jù)庫(kù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本組成單位是節(jié)點(diǎn)，它一般由四個(gè)模塊組成：傳感模塊（傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器）、數(shù)據(jù)處理模塊（微處理器、存儲(chǔ)器）、通信模塊（無(wú)線(xiàn)收發(fā)器）及電源模塊（提供能源）。節(jié)點(diǎn)都具有傳感、信號(hào)處理和無(wú)線(xiàn)通信功能。根據(jù)應(yīng)用的需要，節(jié)點(diǎn)的體積和質(zhì)量都應(yīng)比較小，有時(shí)小到足以使它懸浮在空中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。節(jié)點(diǎn)的能耗要非常小。節(jié)點(diǎn)的電源模塊希望用盡可能小的高能電池供電。

智能傳感器視其傳感元件的不同具有不同的名稱(chēng)和用途。雖然其硬件的組合方式不盡相同,但其結(jié)構(gòu)模塊大致一樣。我們以智能壓力傳感器為例,敘述和簡(jiǎn)介它的結(jié)構(gòu)框圖。圖10.3示出了一種智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。 由圖可見(jiàn),這種智能壓力傳感器主要由微處理機(jī)（μP）主機(jī)模板、模擬量輸入模板、IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)模板、接口模板等組成。圖10.3一種智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu)框圖智能傳感器與一般傳感器相比，具有以下幾個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。（1）研究與開(kāi)發(fā)傳感器的自由度大。（2）精度高。（3）具有一定的可編程自動(dòng)化能力。（4）輸出形式多。（5）功能價(jià)格比大。10.2智能傳感器的結(jié)構(gòu)框圖10.2.1

μP主機(jī)模板

μP主機(jī)模板主要由CPU、存儲(chǔ)器（ROM、RAM、EPROM）、串行通信接口、地址譯碼器、時(shí)鐘發(fā)生器、地址總線(xiàn)（AB）、數(shù)據(jù)總線(xiàn)（DB）、控制總線(xiàn)（CB）等組成。

μP是智能傳感器的神經(jīng)中樞，其性能不但影響傳感器的硬件電路、接口設(shè)計(jì)、模塊數(shù)目，而且影響傳感器的成本高低。因此，在智能傳感器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)參照如下原則來(lái)選擇μP。 (1)根據(jù)任務(wù)選機(jī)型。根據(jù)所研制的智能傳感器是用于數(shù)據(jù)處理,完成某些測(cè)量任務(wù),還是用于某種系統(tǒng)控制，對(duì)于不同的任務(wù),應(yīng)選擇不同的機(jī)型。例如,MCS-51系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)比較豐富,具有較強(qiáng)的控制及處理能力,而MCS-96系列單片機(jī)則包括一個(gè)高性能的16位CPU、8K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器、232個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、功能豐富的I／O端口、10位A／D轉(zhuǎn)換器,數(shù)據(jù)處理能力更強(qiáng)。又例如,權(quán)衡各方面,也可選各種基于嵌入式微處理器的模塊板或嵌入式微處理器。電子技術(shù)日新月異,32位的高性能處理器價(jià)格不斷下跌。嵌入式技術(shù)的發(fā)展速度隨著高性能及低價(jià)格的處理器芯片上市速度的加速而加速。表10.1是32位ARM內(nèi)核處理器的價(jià)格與C51單片機(jī)的價(jià)格比較情況。圖10.4智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu)框圖表10.132位ARM內(nèi)核處理器與單片機(jī)性能價(jià)格比較

比較之后我們會(huì)發(fā)現(xiàn),ARM32位處理器價(jià)格已經(jīng)比較便宜而且性能較傳統(tǒng)的51單片機(jī)高,集成度也大大提高,為單芯片解決方案提供了非常方便的平臺(tái),在很多場(chǎng)合都可以用一個(gè)芯片就包容了用戶(hù)所需要的全部資源,根本不用擴(kuò)展其它資源了；不但電路簡(jiǎn)單易行,風(fēng)險(xiǎn)減小,而且產(chǎn)品價(jià)格也能控制在最理想狀態(tài)。

(2)按照需要選字長(zhǎng)。字長(zhǎng)即并行數(shù)據(jù)總線(xiàn)的線(xiàn)數(shù)。字長(zhǎng)較長(zhǎng),就能滿(mǎn)足處理較寬范圍的算術(shù)值的需要。

(3)依據(jù)用途定速度。μP的處理速度,取決于時(shí)鐘頻率、執(zhí)行給定指令所用周期數(shù)、指令系統(tǒng)。應(yīng)依據(jù)智能傳感器的實(shí)際用途,確定μP的處理速度。如傳感器用于動(dòng)態(tài)測(cè)量,μP的處理速度不能低于傳感器的響應(yīng)速度,而用于靜態(tài)測(cè)量時(shí)可降低一些要求。

10.2.2模擬量輸入模板 傳感器的輸出一般為毫伏數(shù)量級(jí)模擬量,要滿(mǎn)足A／D轉(zhuǎn)換電路的要求,還必須經(jīng)過(guò)模擬量輸入模板上有關(guān)電路的放大、處理,再經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換電路傳輸?shù)街鳈C(jī)板上去。10.2.3

IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)模板智能傳感器的外總線(xiàn)通常分為并行和串行兩種。并行外總線(xiàn)以IEEE-488為代表，串行則以RS-232為典型。采用IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)（GeneralPurposeInterfaceBus，GP-IB），能使智能傳感器從機(jī)械上、電氣上、功能上與一些必要的智能儀器相連，組成各種工作系統(tǒng)或自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)共有16根信號(hào)線(xiàn)：8根雙向數(shù)據(jù)總線(xiàn)；3根掛鉤線(xiàn)，即數(shù)據(jù)有效線(xiàn)DAV、未準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)線(xiàn)NRFD、未收到數(shù)據(jù)線(xiàn)NDAC；5根管理線(xiàn)，即注意線(xiàn)ATN、接口清除線(xiàn)IFC、實(shí)行遠(yuǎn)控線(xiàn)REN、服務(wù)請(qǐng)求線(xiàn)SRQ、結(jié)束與識(shí)別線(xiàn)EOI。IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)如圖10.5所示。該總線(xiàn)可以與帶有IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)接口的計(jì)算機(jī)、電壓表、電源、信號(hào)源等智能儀器相連，完成各種功能。IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)接口中的收發(fā)器采用Intel8291、Intel8292、Intel8293等芯片，詳細(xì)內(nèi)容可參閱自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)方面的相關(guān)資料。圖10.5IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)

10.2.4接口模板

1.數(shù)字顯示

通過(guò)數(shù)字顯示可以直接讀出智能傳感器輸出量的大小。為了符合人們的習(xí)慣,通常用七段發(fā)光二極管（LED）按十進(jìn)制計(jì)數(shù)方式顯示測(cè)量結(jié)果。LED顯示器有共陽(yáng)極型和共陰極型,所加電壓一般是1.6V或2.4V,使用時(shí)要調(diào)整驅(qū)動(dòng)電路以及限流電阻（100～800Ω）,使工作電流不超過(guò)正常范圍（10～20mA）。傳感元件的輸出經(jīng)轉(zhuǎn)換電路加到μP,再通過(guò)μP的輸出端口,經(jīng)譯碼器、驅(qū)動(dòng)電路,使LED顯示。

液晶顯示器（LCD）近年來(lái)發(fā)展很快,目前已有標(biāo)準(zhǔn)段式LCD、內(nèi)藏驅(qū)動(dòng)與控制器的標(biāo)準(zhǔn)段式LCD模塊、標(biāo)準(zhǔn)字符點(diǎn)陣式LCD模塊、標(biāo)準(zhǔn)圖形點(diǎn)陣式LCD模塊等多個(gè)品種面市。LCD具有平板顯示、結(jié)構(gòu)輕薄、電壓低、功耗小等優(yōu)點(diǎn)。點(diǎn)陣式LCD已廣泛應(yīng)用于筆記本式計(jì)算機(jī)、臺(tái)式計(jì)算機(jī)和智能傳感器中。

2.打印輸出

必要時(shí)應(yīng)配備打印機(jī)。打印輸出可以作為永久性記錄保存,還可記錄瞬時(shí)測(cè)量值、累加值、周期、批號(hào)等用戶(hù)感興趣的信息。打印機(jī)的選用應(yīng)從性能價(jià)格比等方面考慮。

3.接口電路

接口電路指控制系統(tǒng)所需的數(shù)模轉(zhuǎn)換等一切必需的接口電路。10.3信號(hào)處理與μP接口技術(shù)

10.3.1傳感器輸出信號(hào)的類(lèi)型

在智能傳感器系統(tǒng)中,接收傳感器的輸出信號(hào)并進(jìn)行加工處理的是微處理機(jī)。微處理機(jī)常常要求輸入信息的形式是一定字長(zhǎng)的并行脈沖信號(hào),即一組二進(jìn)制數(shù)字信息。然而,傳感器的輸出電信號(hào)形式卻因傳感器工作原理不同而不盡相同,如圖10.6所示。圖10.6傳感器輸出信號(hào)的類(lèi)型

由于傳感器的輸出信號(hào)形式不同,因此必須采用不同的處理和轉(zhuǎn)換方法,把這些信號(hào)經(jīng)過(guò)某些預(yù)處理并轉(zhuǎn)換為微處理機(jī)便于接受的數(shù)字信號(hào)。 如果傳感器輸出的是數(shù)字信號(hào),微處理機(jī)接收之前的預(yù)處理和轉(zhuǎn)換就方便得多。在數(shù)字信號(hào)中,開(kāi)關(guān)信號(hào)是最簡(jiǎn)單的形式,它有觸點(diǎn)式與無(wú)觸點(diǎn)式兩種。觸點(diǎn)式開(kāi)關(guān)信號(hào)可采用隔離電路,使電平輸出端與觸點(diǎn)一側(cè)在電氣上完全絕緣,以防干擾的引入,同時(shí)可用硬件或軟件的方法來(lái)消除機(jī)械觸點(diǎn)的抖動(dòng),以增加可靠性；無(wú)觸點(diǎn)式開(kāi)關(guān)信號(hào)一般為電壓信號(hào),可用積分電路或施密特電路來(lái)提高輸出的抗干擾能力。當(dāng)考慮了電平、阻抗等匹配問(wèn)題以后,開(kāi)關(guān)信號(hào)可直接引入微處理機(jī)的某些端口。其它數(shù)字輸出信號(hào)與微處理機(jī)的連接也很方便,這里不再介紹。

10.3.2傳感器輸出的模擬信號(hào)的處理 當(dāng)傳感器的輸出信號(hào)為隨時(shí)間連續(xù)變化的電參量,如電壓、電流、電阻、電容或電感等模擬量時(shí),這類(lèi)信號(hào)的預(yù)處理和數(shù)字化接口電路的組成一般如圖10.7所示。圖10.7模擬信號(hào)的預(yù)處理和數(shù)字化接口電路的組成從圖10.7中可以看到，除了電容與電感量的信號(hào)往往采用振蕩電路，將信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率的變化，然后用頻率計(jì)數(shù)器來(lái)處理外，其他都以電壓變化的形式出現(xiàn)和處理。圖中沒(méi)有列入的模擬頻率變化信號(hào)可直接用數(shù)字式頻率計(jì)將頻率變化信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信息。圖中沒(méi)有包含的模擬脈沖式信號(hào)的脈沖幅值、寬度或間隔時(shí)間等參數(shù)與被測(cè)量成比例。脈沖的幅值可以用檢波電路拾取，然后通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。脈寬式脈沖間隔時(shí)間信號(hào)通常采用在信號(hào)出現(xiàn)期間對(duì)已知的一串標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到相應(yīng)的數(shù)字信息。下面重點(diǎn)討論電壓信號(hào)的預(yù)處理、數(shù)字化等問(wèn)題。

1.電壓信號(hào)的預(yù)處理 多數(shù)傳感器輸出的模擬電壓在毫伏或微伏數(shù)量級(jí),而且一般變化較為緩慢。但信號(hào)所處的環(huán)境往往比較惡劣,干擾和噪聲較大。預(yù)處理電路既要將微弱的低電平信號(hào)放大至模數(shù)轉(zhuǎn)換器所要求的信號(hào)電平,如0～5V或0～10V的范圍,又要抑制干擾,降低噪聲,保證信號(hào)檢測(cè)的精度。因此,在電壓信號(hào)的預(yù)處理電路中將主要包括濾波器與性能指標(biāo)良好的電壓放大器。在放大器的輸入端加上一個(gè)濾波環(huán)節(jié),就能有效地降低常規(guī)的模擬干擾。通常采用簡(jiǎn)便、廉價(jià)的單級(jí)或多級(jí)RC濾波器,也可采用由運(yùn)算放大器構(gòu)成的有源濾波器。電壓信號(hào)預(yù)處理電路中的放大器,除了要進(jìn)行電壓放大外,常常還要完成阻抗變換、電平轉(zhuǎn)換、電流-電壓轉(zhuǎn)換以及隔離的功能。通?？刹捎脙x表放大器（InstrumentationAmplifiers)（或稱(chēng)數(shù)據(jù)放大器）、測(cè)量放大器和隔離放大器（IsolationAmplifiers）。

儀表（數(shù)據(jù)）放大器具有很高的輸入阻抗（一般高達(dá)109Ω以上）、較低的失調(diào)電壓（一般小于等于25μV）與溫度漂移系數(shù)（一般≤0.3μV／℃）、較高的共模抑制比（CMRR）（一般均超過(guò)120dB）、穩(wěn)定的增益以及低的輸出阻抗。目前國(guó)內(nèi)外不少?gòu)S家有產(chǎn)品供應(yīng)，如國(guó)產(chǎn)型號(hào)有749廠(chǎng)的ZF604、ZF605、ZF606,北京半導(dǎo)體器件研究所的BG004等，國(guó)外型號(hào)有AD605等。 所謂隔離,就是在信號(hào)傳輸電路中,在保證信號(hào)傳輸通暢的同時(shí),切斷輸出電路與輸入電路電流或電阻的聯(lián)系。

隔離放大器的主要特點(diǎn)如下。

(1)由于具有內(nèi)部保護(hù)裝置,故能抵抗輸入端點(diǎn)和地之間或輸入和輸出端口之間高的電壓差（即共模電壓）。隔離放大器具有很高的抵抗共模電壓的能力。

(2)具有高的噪聲抑制能力和高的共模抑制能力。

(3)從輸入到電源地之間有很高的泄漏通路阻抗（隔離歐姆電阻的典型值為1011Ω以上）。 隔離放大器可以把信號(hào)源與電路輸出端歐姆隔離（隔離電阻大于10MΩ）；隔離放大器能把輸入電路浮空（或浮置）,切斷地環(huán)路,消除地環(huán)流；隔離放大器能使系統(tǒng)或設(shè)備隔離保護(hù)。隔離放大器的耦合方式可以是熱、磁、光等。目前國(guó)內(nèi)外已生產(chǎn)出許多專(zhuān)用的隔離放大器。如國(guó)產(chǎn)型號(hào)有北京半導(dǎo)體器件一廠(chǎng)的GF289、B-GF01等，國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品型號(hào)有AD289、AD275等。

2.電壓信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換

1）采樣保持（S／H） 在智能傳感器中,一般被測(cè)的連續(xù)模擬信號(hào)只能以一定的采樣頻率將采樣點(diǎn)的量值數(shù)字化后送入微處理器,而A／D轉(zhuǎn)換器每完成一次轉(zhuǎn)換都需要一定的時(shí)間Tc。如果輸入A／D轉(zhuǎn)換器的模擬電壓Ux在Tc期間的變化大于1LSB的量化電壓,則一般不能保證轉(zhuǎn)換的精度,因此,在轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)對(duì)采樣點(diǎn)的信號(hào)電壓要加以保持。 以8位分辨率的ADC0809芯片來(lái)說(shuō),設(shè)其輸入電壓幅度UFS為0～5V,轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs,它允許的輸入電壓最大變化率為

當(dāng)Ux為正弦變化的信號(hào),即Ux=Umsinωt,其最大變化率發(fā)生在過(guò)零時(shí),有 于是有

因此,Ux的最高頻率f′max受到限制。當(dāng)Um=UFS

時(shí),可得

則ADC0809芯片的f′max=6.22Hz。 顯然,直接用ADC對(duì)模擬電壓進(jìn)行采樣與量化的方法只適合于直流與低頻信號(hào)。當(dāng)輸入ADC的電壓變化率比較大時(shí),必須采取措施,在A(yíng)DC之前加入一個(gè)S／H。S／H在某個(gè)規(guī)定的時(shí)刻接收輸入電壓,并在輸出端保持該電壓,直至下次采樣為止,在保持期間由ADC完成A／D轉(zhuǎn)換。這樣,上述問(wèn)題就可得到解決。參考文獻(xiàn)［10］中做了詳細(xì)計(jì)算,在A(yíng)DC0809前加入AD582采樣保持芯片時(shí),f′max可提高到約4kHz?？梢?jiàn),用同一種ADC芯片,在其前插入S／H后,允許輸入信號(hào)的頻率將大大提高。 在模擬信號(hào)采集系統(tǒng)中,選取采樣周期也是很重要的。在智能傳感器中一般是通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。對(duì)工業(yè)過(guò)程的參數(shù),如流量、壓力、溫度等,采樣周期的選取可參考表10.2所列出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)而確定。表10.2工業(yè)過(guò)程某些物理量采樣周期選取范圍

2）A／D轉(zhuǎn)換器

A／D有多種工作原理不同的電路,并各有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。如果所選用的A／D不能滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求,那么系統(tǒng)就得不到所要求的性能,嚴(yán)重時(shí)甚至所采集的是完全錯(cuò)誤的信息。根據(jù)不同的工作原理,A／D大致可分為以下幾種。 （1）雙積分A／D。精度高,抗干擾性能好,價(jià)格便宜,但轉(zhuǎn)換速度較低。 （2）計(jì)數(shù)比較A／D。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低,轉(zhuǎn)換速度慢,對(duì)于變化較快的輸入模擬量,會(huì)出現(xiàn)跟蹤不上的現(xiàn)象。 （3）逐次逼近A／D。精度與價(jià)格均適中,轉(zhuǎn)換速度較快。（4）并行A／D。硬件復(fù)雜,價(jià)格高,是一種用編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)的快速A／D。A／D的主要性能指標(biāo)有：輸入條件；分辨力；轉(zhuǎn)換速度；線(xiàn)性；穩(wěn)定性；輸出代碼；附加功能等。下面簡(jiǎn)介前四項(xiàng)指標(biāo)的定義及內(nèi)含。 ①輸入條件。輸入條件就是模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)時(shí),模擬信號(hào)的輸入條件。其中包括轉(zhuǎn)換范圍,即要轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息的模擬信號(hào)的電壓范圍；輸入電阻,即A／D的模擬輸入端與地間的電阻值,此值應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于模擬信號(hào)端的輸出阻抗值；模擬信號(hào)的波形,是時(shí)間上的連續(xù)波或是時(shí)間上分離的脈沖波,如果是連續(xù)波,則必須有采樣保持功能,如果是脈沖波,則必須有峰值保持功能。 ②分辨力。數(shù)字化信息是從離散的整數(shù)型0開(kāi)始的連續(xù)數(shù)值信息,該數(shù)值信息的最大值稱(chēng)為分辨力。換言之,它表示對(duì)模擬量輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化能夠達(dá)到多細(xì)的程度。 ③轉(zhuǎn)換速度。轉(zhuǎn)換速度就是將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息的速度。嚴(yán)格地說(shuō),轉(zhuǎn)換速度是轉(zhuǎn)換所需時(shí)間的倒數(shù),但習(xí)慣上卻大多直接用轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間來(lái)表示。A／D的工作原理不同,轉(zhuǎn)換速度差別很大,如以轉(zhuǎn)換所需時(shí)間表示,一般從幾十ns到幾百ms。 ④線(xiàn)性。線(xiàn)性是定義被轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號(hào)與轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息比例關(guān)系的指標(biāo)。圖10.8表示A／D轉(zhuǎn)換特性的比例關(guān)系。顧名思義,模擬輸入值是完全連續(xù)的,數(shù)字輸出是離散的,輸出信息是整數(shù)型的數(shù)值信息。圖10.8(a)所示為理想特性時(shí)的情況,在直線(xiàn)①與②之間,模擬輸入經(jīng)數(shù)字化后變成規(guī)則的等間隔的階梯形狀。

實(shí)際得到的A／D特性如圖10.8(b)所示。積分（非）線(xiàn)性的定義表示圖10.8(b)中黑點(diǎn)偏離直線(xiàn)①的程度。在分辨力為10位（210=1024）的A／D中,如果積分（非）線(xiàn)性為±0.5LSB,以轉(zhuǎn)換范圍的滿(mǎn)量程的%表示它時(shí),則為±0.5／1024≈0.05%,可見(jiàn)它的轉(zhuǎn)換特性是相當(dāng)好的。圖10.8(b)中的積分（非）線(xiàn)性為±0.5LSB。 微分（非）線(xiàn)性的定義表示各個(gè)通道的通道寬度的誤差大小,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為（10.1）

式中：P——所有通道中的最大通道寬度；

Q——所有通道中的最小通道寬度；

R——所有通道的通道寬度的平均值。 以圖10.8(b)為例,假定平均通道寬度為1.0,則

可見(jiàn),微分（非）線(xiàn)性是極壞的。圖10.8A／D轉(zhuǎn)換器的線(xiàn)性關(guān)系 3）與微機(jī)的接口 各種型號(hào)的A／D芯片均設(shè)有數(shù)據(jù)輸出引腳、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換引腳、轉(zhuǎn)換結(jié)束引腳等。在使用時(shí),要正確處理好上述引腳與CPU之間的硬件連線(xiàn)。A／D轉(zhuǎn)換器的某些產(chǎn)品注明能直接和CPU配接,這是指A／D的數(shù)據(jù)輸出線(xiàn)可直接掛到CPU的數(shù)據(jù)總線(xiàn)上,說(shuō)明該轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出寄存器具有可控的三態(tài)輸出功能,轉(zhuǎn)換結(jié)束,CPU可用輸入指令讀取數(shù)據(jù)。一般8位A／D轉(zhuǎn)換器均屬此類(lèi)。而10位以上的A／D,為了能和8位的CPU直接配接,輸出數(shù)據(jù)寄存器增加了讀數(shù)控制邏輯電路,把10位以上的數(shù)據(jù)分時(shí)讀出。對(duì)于內(nèi)部不包含讀數(shù)控制邏輯電路的A／D,則在和8位CPU相連時(shí),應(yīng)增加三態(tài)門(mén),以控制10位以上數(shù)據(jù)分兩次進(jìn)行讀取。 A／D需外部控制啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào),方能進(jìn)行轉(zhuǎn)換,這一啟動(dòng)信號(hào)由CPU提供。不同型號(hào)的A／D,對(duì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)的要求不同,分脈沖啟動(dòng)和電平控制啟動(dòng)兩種。轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)的處理,由內(nèi)部轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)觸發(fā)器置位,并輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志電平,通知CPU讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量。CPU從A／D讀取數(shù)據(jù)的聯(lián)絡(luò)方式有中斷和查詢(xún)兩種,這兩種方式的選擇往往取決于A(yíng)／D的轉(zhuǎn)換速度和用戶(hù)程序的安排。圖10.9給出了單片機(jī)8031與逐次逼近式ADC0809轉(zhuǎn)換器的硬件連接圖。由于A(yíng)DC0809轉(zhuǎn)換器內(nèi)部設(shè)有三態(tài)輸出鎖存器,因此可以直接與MCS-51單片機(jī)相連接。

在圖10.9中,將ADC0809作為一個(gè)外部擴(kuò)展并行I／O口,采用中斷控制聯(lián)絡(luò)方式。線(xiàn)性選址,設(shè)ADC0809的口地址為01F8H。由外部中斷1的服務(wù)程序讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果,并啟動(dòng)下一次轉(zhuǎn)換。圖10.9單片機(jī)與ADC0809的硬件連接 8031的有關(guān)連線(xiàn)說(shuō)明如下：

ALE：訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí),ALE為低8位地址鎖存允許輸出信號(hào)；

P0.0～0.7：地址、數(shù)據(jù)線(xiàn),分時(shí)復(fù)用；

INT1：外部中斷1請(qǐng)求。

WR：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通。

RD：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通。

EA：為低電平時(shí),CPU僅執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器程序。對(duì)8031來(lái)說(shuō),由于無(wú)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器,所以EA信號(hào)引腳必須接地。 ADC0809的有關(guān)連線(xiàn)說(shuō)明如下：

START：?jiǎn)?dòng)控制輸出端；

ALE：地址鎖存控制信號(hào)端,A、B、C上的地址信息決定應(yīng)從IN0～I(xiàn)N7哪個(gè)引腳上輸入模擬信號(hào),當(dāng)A、B、C上有地址信息,ALE為1時(shí),進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；

OE：輸出允許控制端；

EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束脈沖輸出端；

CLK：時(shí)鐘輸入端。

其參考程序如下：

INT1：SETBIT1；IT1置位,INT1外部中斷請(qǐng)求用邊沿觸發(fā)

SETBEA；IE寄存器中的EA置位,此時(shí)各中斷源的允許或禁止取決于各自中斷位的狀態(tài),即開(kāi)中斷

SETEX1；IE寄存器中的EX1置位,允許中斷

MOVDPTR,#01F8H；啟動(dòng)ADC,對(duì)IN0通道進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換

MOVA,#08H MOV@DPTR,A

中斷服務(wù)程序：

PINT1：MOVDPTR,#01F8H MOVXA,@DPTR MOV50H,A[JB） ；讀A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果,送緩沖單元50H MOVA,#08H MOVX@DPTR,A；啟動(dòng)ADC,對(duì)IN0通道進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換

RETI；返回 當(dāng)要對(duì)IN0～I(xiàn)N7所有輸入信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換時(shí),在程序中應(yīng)加入修改地址等指令。

3.D／A轉(zhuǎn)換器

當(dāng)需要傳感器起控制作用時(shí),D／A轉(zhuǎn)換器是必不可少的。目前商品化的D／A芯片多數(shù)采用R-2RT型解碼網(wǎng)絡(luò)和MOS或TTL型電流開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu),其輸出量與數(shù)字輸入量成正比。數(shù)字輸入量常為二進(jìn)制式,有純二進(jìn)制編碼、二的補(bǔ)碼及BCD碼等。D／A芯片的種類(lèi)很多,按其能否直接與CPU相連接而分為兩類(lèi)。一類(lèi)是不帶輸入數(shù)據(jù)寄存器,如AD7520（10位分辨力）、AD7521（12位分辨力）和DAC0808等。這類(lèi)D／A結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜,但與CPU相連接時(shí),必須設(shè)置數(shù)據(jù)鎖存器,以便使輸入的數(shù)據(jù)保持一定時(shí)間。

另一類(lèi)則在芯片內(nèi)部集成有輸入數(shù)據(jù)寄存器及片選信號(hào)、寫(xiě)信號(hào)等電路,如AD7524、DAC0832等等。它們可以直接與CPU相連,可作為MCS-51系列單片機(jī)的一個(gè)外部I／O擴(kuò)展口,使用起來(lái)十分方便。DAC芯片通常輸出電壓范圍有：0～5V,±2.5V,±5V,±10V。對(duì)于控制中所要求的某些非標(biāo)準(zhǔn)范圍的輸出,可采用增益可調(diào)的運(yùn)算放大器,對(duì)DAC芯片的輸出進(jìn)行調(diào)整。 在D／A選定以后,輸出電壓就可以根據(jù)要求確定?，F(xiàn)以8位D／A芯片,要求輸出電壓從0到1V為例加以說(shuō)明（采用8位純二進(jìn)制編碼）。因?yàn)橛?位,可提供0到255種不同的值,所以輸出可分為256個(gè)不同的級(jí),每級(jí)為0.00390V或3.9mV,即可根據(jù)D／A任一輸入值x確定輸出電壓的大?。?/p>

輸出電壓(V)=（滿(mǎn)刻度電壓1）·(10.2)

現(xiàn)將0～1V滿(mǎn)刻度的D／A轉(zhuǎn)換器的某些輸出電壓列于表10.3。表10.3D／A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓

圖10.10為MCS-51系列單片機(jī)8031與DAC0832連接的示意圖。DAC0832是由輸入數(shù)據(jù)寄存器、DAC寄存器和D／A轉(zhuǎn)換器所組成的CMOS器件。其最大特點(diǎn)是片內(nèi)設(shè)有兩個(gè)獨(dú)立的8位寄存器（輸入數(shù)據(jù)寄存器和DAC寄存器）,因而具有雙緩沖作用。被轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)寄存在DAC寄存器中,下一組輸入數(shù)據(jù)又可裝入輸入數(shù)據(jù)寄存器中,這就可根據(jù)需要快速修改DAC0832的輸出。 在圖10.10中,DAC0832作為8031外部擴(kuò)展的一個(gè)I／O口,設(shè)口地址為00FEH。CPU對(duì)它進(jìn)行一次寫(xiě)操作,把一個(gè)數(shù)字量直接寫(xiě)到DAC寄存器,通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換,輸出一個(gè)模擬量。

8031的有關(guān)連線(xiàn)前已說(shuō)明。圖10.108031與DAC0832連接示意圖 0832的有關(guān)連線(xiàn)說(shuō)明如下：

CS：片選信號(hào)端,它與ILE信號(hào)結(jié)合,可對(duì)WR1信號(hào)是否起作用進(jìn)行控制；

ILE：允許輸入鎖存信號(hào)端；

WR1：寫(xiě)信號(hào)1,用于將數(shù)字量輸入鎖存到DAC0832輸入數(shù)據(jù)寄存器中,這時(shí)CS和ILE必須同時(shí)有效；

WR2：寫(xiě)信號(hào)2,用于將鎖存于輸入數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到DAC寄存器中保存,這時(shí),XFER信號(hào)應(yīng)有效；

XFER：控制傳送信號(hào),用于控制WR2。

Rfb：反饋電阻連接端,芯片內(nèi)已有一反饋電阻；

Iout1：DAC電流輸出1,接運(yùn)算放大器反相輸入端；

Iout2：DAC電流輸出2,接運(yùn)算放大器同相輸入端。 圖10.8中,CS和XFER同由8031地址線(xiàn)A0來(lái)選通。 執(zhí)行下列程序段,DAC0832輸出一個(gè)新的模擬量：

MOVDPTR,#00FEH；置ADC0832口地址

MOVA,#data；輸入一個(gè)數(shù)字量到A MOVX@DPTR,A；輸出對(duì)應(yīng)的模擬量

例如,用該電路產(chǎn)生一個(gè)鋸齒波,程序如下：

ORG1030H 1030MOVDPTR,#00FEH 1033MOVA,#00H 1035LOOP:MOVX@DPTR,A 1036INCA 1037LJMPLOOP END10.4智能傳感器中的數(shù)據(jù)處理

10.4.1查表與搜索

1.線(xiàn)性搜索

這是一種對(duì)無(wú)序表進(jìn)行搜索的最簡(jiǎn)單、最慢的一種方法。搜索開(kāi)始后,按順序掃描表中的每一項(xiàng),逐個(gè)比較,逐個(gè)查對(duì),直到找到所要求的記錄為止。若有一含N個(gè)數(shù)的數(shù)組,線(xiàn)性搜索的平均搜索次數(shù)D=N／2,當(dāng)N很大時(shí),則搜索次數(shù)就很多,搜索時(shí)間就很長(zhǎng)。

2.對(duì)分搜索

對(duì)分搜索是一種較常用的方法,它可以大大減少搜索次數(shù),縮短搜索時(shí)間。但要求表格中數(shù)據(jù)（或字符）的排列是有次序的。例如,對(duì)于數(shù),要求它按大小排列,對(duì)于字符,則按其ASCII碼值的大小排列等。因此,對(duì)一個(gè)無(wú)次序的表格,首先要設(shè)法加以排列即分類(lèi)。分類(lèi)的方法也很多,氣泡排序法就是其中一種,它是通過(guò)兩兩比較、交換、循環(huán),使數(shù)組中的最小值冒到頂部。若數(shù)組已按大小次序排列好，則可采用對(duì)分搜索法。其思想是：先取數(shù)組中間的值eN／2(N／2處的值）與要搜索的值x相比較,看是否相等。若相等則搜索到。若不等則比較兩數(shù)的大小：若x＞eN／2,則下一次取N／2～N之間的中間值e3N／4與x相比較；若x＜eN／2,則下一次取0～N／2之間的中間值e1N／4與x相比較。這樣每搜索一次,使區(qū)間縮小1／2。如此一直進(jìn)行下去,直至或者是被搜索的字找到,或者是搜索的區(qū)間變?yōu)?（表示搜索不到所要找的數(shù)）。

3.跟蹤搜索

如果存入表格的所測(cè)參數(shù)隨時(shí)間變化不太快,同時(shí),后一次的測(cè)量值絕大部分又都在前次測(cè)量值附近且非常接近,那么,表格的搜索可以不從表格首地址開(kāi)始,而是從前一次測(cè)量值所對(duì)應(yīng)的表格地址開(kāi)始搜索。這便是跟蹤搜索法的設(shè)想。其搜索步驟是,一個(gè)輸入量首先與前一次測(cè)量值所對(duì)應(yīng)的表格數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。若相等,此搜索值即被找到；若不等,就把前次測(cè)量值對(duì)應(yīng)的表格地址作為起始地址,再把表格中的數(shù)據(jù)從上到下（或從下到上）依次取出,與輸入量進(jìn)行比較,直到找到數(shù)據(jù)為止。所以,跟蹤搜索的數(shù)據(jù)更新率高,總搜索次數(shù)最多為兩次,與表格數(shù)目N無(wú)關(guān),速度最快,程序簡(jiǎn)單。

10.4.2分段插值法 插值法是數(shù)值計(jì)算中的一個(gè)基本方法。分段插值法是插值法中算法簡(jiǎn)單、收斂性和穩(wěn)定性較好的一種。這種方法是把傳感器的測(cè)量范圍劃分成若干個(gè)分段,然后在每個(gè)分段內(nèi)進(jìn)行線(xiàn)性插值或拋物線(xiàn)插值。在插值點(diǎn)數(shù)相同的情況下,拋物線(xiàn)插值的精度高于線(xiàn)性插值,但拋物線(xiàn)插值的程序要復(fù)雜些,因而在精度要求滿(mǎn)足時(shí)應(yīng)盡量采用分段線(xiàn)性插值法。

分段線(xiàn)性插值法就是用m段通過(guò)插值結(jié)點(diǎn)的直線(xiàn)來(lái)代替?zhèn)鞲衅鬏敵龊瘮?shù)y=f(x)的值,其插值計(jì)算公式為

式中：y——最終要求得的被測(cè)物理量；

x——敏感元件經(jīng)由A／D轉(zhuǎn)換送到微機(jī)的輸入量（插值點(diǎn)值）；

xi、xi-1——插值點(diǎn)所在分段兩個(gè)插值結(jié)點(diǎn),［xi-1,xi］稱(chēng)為插值區(qū)間；

yi、yi-1——與xi、xi-1對(duì)應(yīng)的輸出量。 在微處理機(jī)計(jì)算時(shí),若xi、xi-1、yi、yi-1均取小于215的雙字節(jié)正數(shù),一般說(shuō)來(lái),傳感器的精度也就足夠了。(點(diǎn)斜式直線(xiàn)方程)(10.3)

圖10.11示出了某傳感器靜態(tài)特性曲線(xiàn)的分段及插值計(jì)算框圖。實(shí)際設(shè)計(jì)中,把每段的yi、xi值按大小順序列成相應(yīng)的數(shù)據(jù)表格,并預(yù)先放在存儲(chǔ)器中。只要輸入量x在函數(shù)區(qū)間內(nèi),在完成表格搜索后便可利用上述插值計(jì)算公式（10.3）,通過(guò)程序進(jìn)行三次減法、一次加法、一次除法及一次乘法運(yùn)算。分段數(shù)目由給定的允許誤差和實(shí)際曲線(xiàn)而定,可采用均勻分段或非均勻分段。圖10.11某傳感器靜態(tài)特性曲線(xiàn)的分段及插值計(jì)算框圖

10.4.3曲線(xiàn)擬合修正法

查表搜索和分段插值都保留了數(shù)據(jù)的全部測(cè)試誤差,如果個(gè)別測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量精度很低,將影響到修正結(jié)果。曲線(xiàn)擬合法則是能反映出數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)的一種方法。 通常先用最小二乘法來(lái)擬合一組數(shù)據(jù)（xi,yi）(i=0,1,2,…,n),這就是求一個(gè)擬合多項(xiàng)式(10.4)

然后依照最小二乘法原則,使為最小值（Δi為第i個(gè)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與擬合曲線(xiàn)上相應(yīng)值之間的殘差）。 根據(jù)曲線(xiàn)擬合的經(jīng)驗(yàn)公式

s0a0+s1a1+s2a2+…+snan=c0

s1a0+s2a1+s3a2+…+sn+1an=c1

sna0+sn+1a1+sn+2a2+…+s2nan=cn

式中：k=0,1,2,…,2n

j=0,1,2,…,n

應(yīng)用曲線(xiàn)擬合修正法時(shí),可先根據(jù)曲線(xiàn)擬合精度或?qū)嶋H需要,通過(guò)試探法或誤差檢驗(yàn)法,用計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言計(jì)算確定擬合多項(xiàng)式的階次,再由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的不同物理量的一組數(shù)據(jù)（xi,yi）(i=0,1,2,…,n),按上述經(jīng)驗(yàn)公式,用高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)求出擬合多項(xiàng)式的系數(shù),得到任意x值（敏感元件的經(jīng)由A／D轉(zhuǎn)換送到微處理機(jī)的輸入量x值）所對(duì)應(yīng)的值y（最終要求得的被測(cè)物理量）的多項(xiàng)式,最后再編制出計(jì)算這個(gè)多項(xiàng)式的程序。 10.4.4數(shù)字濾波 在智能傳感器中,隨機(jī)噪聲干擾總是存在的。如果通過(guò)數(shù)字濾波器對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)字濾波，可以很好地抑制隨機(jī)噪聲干擾。這里所說(shuō)的數(shù)字濾波主要是指通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波。數(shù)字濾波器的功能就是將一組輸入的數(shù)字序列通過(guò)一定的運(yùn)算后,轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪唤M輸出的數(shù)字序列。將所需要的運(yùn)算編成程序,通過(guò)智能儀器中的單片機(jī)執(zhí)行計(jì)算,實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。 在智能傳感器中,較為常用的數(shù)字濾波器有線(xiàn)性與非線(xiàn)性?xún)深?lèi)。它們的特性不同,抑制隨機(jī)噪聲的能力也不同。例如,線(xiàn)性濾波器對(duì)白噪聲有較強(qiáng)的抑制能力,中值濾波器則對(duì)脈沖型噪聲有很強(qiáng)的抑制能力。

設(shè)有如圖10.12所示的脈沖型噪聲信號(hào),輸入信號(hào)在n=3處有脈沖型干擾,其它各采樣值均是正確的。如果利用這五個(gè)采樣值進(jìn)行線(xiàn)性濾波,則可用差分方程表示：

y(n)=［x(n)+x(n-1)+x(n-2)+x(n-3)+x(n-4)］ 濾波器的輸出為

y(4)=［x(0)+x(1)+x(2)+x(3)+x(4)］ 而中值濾波的結(jié)果為

yM(4)=x(2)

顯然,中值濾波的結(jié)果能正確地反映被測(cè)量x(n)的大小,而線(xiàn)性濾波結(jié)果y(4)中則包含著脈沖型噪聲的影響,造成測(cè)量誤差。因此,應(yīng)根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)噪聲干擾源的性質(zhì),合理地選擇數(shù)字濾波器。圖10.12脈沖型噪聲信號(hào)

10.5.1智能壓力傳感器的設(shè)計(jì)思路

1.智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 智能壓力傳感器由半導(dǎo)體力敏元件（制作力敏元件時(shí),同時(shí)制作兩只溫敏二極管）、放大器、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、雙積分A／D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、接口電路、IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)接口、存儲(chǔ)器和部分外圍電路組成,如圖10.13所示。10.5智能傳感器的設(shè)計(jì)圖10.13智能壓力傳感器組成框圖

敏感元件測(cè)到的壓力、溫度兩組信號(hào)經(jīng)放大后進(jìn)入二選一模擬開(kāi)關(guān),在事先編制好存入EPROM的程序控制下,分時(shí)進(jìn)入A／D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送入單片機(jī)進(jìn)行分析、運(yùn)算、處理,處理結(jié)果可經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換后直接輸出模擬量,對(duì)某些系統(tǒng)進(jìn)行控制；可由IEEE-488接口以標(biāo)準(zhǔn)接口總線(xiàn)與其它智能儀器互聯(lián),也可以通過(guò)接口電路與普通外設(shè)如打印機(jī)、顯示器、記錄儀等連接。

2.敏感元件設(shè)計(jì)

利用集成電路工藝,根據(jù)圓形平膜片上各點(diǎn)應(yīng)力分布,在半導(dǎo)體圓形基片上擴(kuò)散出四個(gè)電阻,同時(shí)生成兩個(gè)溫敏二極管。這四個(gè)電阻通常接成電橋形式,使輸出信號(hào)與測(cè)量壓力成正比例,并將阻值增加的兩個(gè)電阻對(duì)接,阻值減小的兩個(gè)電阻對(duì)接,使電橋的靈敏度最大。 半導(dǎo)體基片采用P型硅。P型硅剪切壓阻系數(shù)π44（也即d44）與溫度T的關(guān)系如圖10.14所示。圖10.14P型硅π44與溫度T的關(guān)系

圖10.14中的曲線(xiàn)說(shuō)明,半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)隨溫度變化而變化,這就引起了敏感元件的所謂靈敏度溫度漂移。由圖可以看出,當(dāng)溫度升高時(shí),敏感元件的靈敏度要降低；當(dāng)溫度降低時(shí),敏感元件的靈敏度升高。這就是說(shuō),敏感元件的靈敏度溫度系數(shù)是負(fù)的。對(duì)靈敏度的溫度漂移,可采用改變電源電壓大小的方法來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。溫度升高時(shí),設(shè)法讓電橋供電電源的電壓提高些,使得電橋的輸出變大些；反之,設(shè)法讓電橋供電電源電壓下降,電橋輸出變小些,就可達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。為?將一只二極管串入電橋供電回路,利用PN結(jié)正向電壓UF與溫度T的關(guān)系,調(diào)整電橋電源回路電壓的大小來(lái)補(bǔ)償靈敏度的溫度漂移。

敏感元件的零點(diǎn)溫度漂移在設(shè)計(jì)時(shí)也要注意加以克服。零點(diǎn)溫度漂移是因擴(kuò)散電阻的阻值隨溫度變化引起的。如果將電橋四個(gè)橋臂的擴(kuò)散電阻做得大小一樣,零點(diǎn)溫度漂移就可以很小,但這在工藝上是很難實(shí)現(xiàn)的。針對(duì)這種情況,可利用軟件進(jìn)行修正。修正時(shí)就需要測(cè)量溫度信號(hào)。將另一只二極管作為測(cè)量溫度用的感溫元件,測(cè)量瞬時(shí)溫度,送入單片機(jī)修正零點(diǎn)溫度漂移。

3.傳感器工藝設(shè)計(jì) 傳感器中的微處理機(jī)采用MCS-51系列8031單片機(jī),它通過(guò)鎖存器74LS373等與外部存儲(chǔ)器EPROM相連?？蛇x用2716(2K×8)、2732（4K×8）、2764（8K×8）等不同芯片作存儲(chǔ)器,用來(lái)存放控制程序、修正值、數(shù)據(jù)等。其它電路（放大器、A／D、D／A、IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)接口、接口電路等）可合理分布在不同的模板上,組裝進(jìn)一個(gè)殼體內(nèi)。注意連線(xiàn)要盡可能短,模擬地與數(shù)字地徹底分開(kāi),各個(gè)模板電源分別濾波等。為減小體積,其它電路應(yīng)盡可能利用可編程器件PLD及其集成電路工藝中的焊接、封裝等技術(shù)把這些電路的芯片做在一塊基座上,構(gòu)成混合集成式信號(hào)處理電路。

4.軟件設(shè)計(jì) 用8031單片機(jī)構(gòu)成的智能壓力傳感器軟件有控制程序、數(shù)據(jù)處理程序及輔助程序。 智能傳感器的重要特點(diǎn)之一是多功能。多種功能一般可用兩種方式去執(zhí)行：一是用戶(hù)通過(guò)鍵盤(pán)發(fā)出所選功能的指令；另一種是自動(dòng)方式,由內(nèi)部功能控制程序協(xié)調(diào)已編制好的數(shù)據(jù)采集與處理程序工作,或通過(guò)IEEE-488總線(xiàn)接收外部遠(yuǎn)控向智能傳感器發(fā)出控制指令。 智能傳感器還有自校、跟蹤、越限報(bào)警、輸出打印、鍵盤(pán)、顯示、D／A轉(zhuǎn)換等電路及接口。為保證整機(jī)有條不紊地工作,可依據(jù)圖10.15所示的源程序流程圖,設(shè)計(jì)可靠的管理程序。

豐富、巧妙的數(shù)據(jù)處理程序,是提高傳感器精度的關(guān)鍵。一般只需要幾百字節(jié)的存儲(chǔ),幾十到幾百微秒的運(yùn)算時(shí)間,即可完成非線(xiàn)性、溫度與隨機(jī)等誤差的補(bǔ)償。在實(shí)際測(cè)量中,對(duì)被測(cè)值可能要做各種運(yùn)算,如偏移（y=x±0）、乘（y=c·x）、比率（y=xGA955c）、均值、 方差、標(biāo)準(zhǔn)偏差、 均方根等。把這些運(yùn)算分別匯編成子程序,并與功能鍵相配合,可構(gòu)成智能傳感器的軟件功能集。

整個(gè)智能傳感器裝成以后,要進(jìn)行標(biāo)定。對(duì)我們列舉的這種簡(jiǎn)單智能壓力傳感器,可把它的溫度特性曲線(xiàn)、非線(xiàn)性曲線(xiàn)轉(zhuǎn)換成數(shù)字碼,存入EPROM中。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)編制的修正程序進(jìn)行修正。最后給出比較理想的輸出。如圖10.16所示。圖10.15智能傳感器源程序流程圖圖10.16智能壓力傳感器修正、顯示流程圖

10.5.2簡(jiǎn)單智能溫度傳感器設(shè)計(jì)實(shí)例

1.要求

設(shè)計(jì)一簡(jiǎn)單智能溫度傳感器,其技術(shù)指標(biāo)如下： 測(cè)量范圍：36～41℃； 測(cè)試精度：±0.1℃； 分辨力：＜0.05℃； 三位數(shù)字溫度顯示及模擬曲線(xiàn)顯示； 具有溫度變化存儲(chǔ)、查詢(xún)、報(bào)警等功能。

2.參考電路

(1)系統(tǒng)框圖如圖10.17所示。 （2）部分硬件電路如圖10.18、圖10.19所示。圖10.17系統(tǒng)框圖圖10.18顯示、查詢(xún)、報(bào)警原理圖圖10.19模擬曲線(xiàn)顯示原理圖 3.參考軟件 軟件主要包括： 主程序； 外部中斷服務(wù)子程序；

T0中斷服務(wù)子程序； 圖形處理子程序、圖形顯示子程序； 數(shù)據(jù)顯示子程序及初始化、濾波、延時(shí)等子程序。

1）主程序流程圖及參考程序 主程序流程圖如圖10.20所示。圖10.20主程序流程圖ORG0000H0000020100LJMPSTARTOGR0003H0003020281LJMPPIKT0ORG000BH000B02033FLJMPPINT0ORG0013H00130202E0LJMPPIKT1ORG0100H0100758170START：MOVSP,#70H；設(shè)置堆棧指

0103D2D3SETBRS0；開(kāi)設(shè)工作寄存器組10105C2D4CLRRS1010712019DLCALLCSH；調(diào)初始化子程010AC288CLRIT0；INT0中斷初始化010CD2A8SETBEX0010EC28ACLRIT1;INT1中斷初始化0110D2AASETBEX10112758901MOVTMOD,#01H；裝入定時(shí)常數(shù)0115758AB7MOVTL0,#0B7H0118758C3CMOVTH0,#3CH011B75223CMOV22H,#60011E752364MOV23H,#100012175240CMOV24H,#12012475250CMOV25H,#1201277526FFMOV26H,#0FFH012A752701MOV27H,#01H012D752801MOV28H,#01H0130752901MOV29H,#01H0133752AC4MOV2AH,#0C4H0136752B35MOV2BH,#35H01397536FFMOV36H,#0FFH013C753701MOV37H,#01H013F753801MOV38H,#01H0142753901MOV39H,#01H0145753AB2MOV3AH,#0B2H0148753B5AMOV3BH,#5AH014B7910MOVR1,#10H014D7A11MOVR2,#11H014F7B12MOVR3,#12H01517C13MOVR4,#13H0153D2B9SETBPT0；T中斷設(shè)置初始化0155D28CSETBRT00157D2AFSETBEA；開(kāi)放中斷015900NOP015AD2A9SETBET0015C00NOP015D00NOP015E00NOP015F00NOP01607810LOOP：MOVR0,#10H0162907FF8LOOP1：MOVDPTR,#7FF8H；啟動(dòng)080901657400MOVA,#00H0167F0MOVX@DPTR,A01683097FDJNBP1.7,￥016BE0MOVXA,@DPTR;對(duì)0809取數(shù),存入R0地址對(duì)應(yīng)單元016CF6MOV@R0,A；10～1FH016D08INCR0016EE8MOVA,R0016FC0E0PUSHA01717840MOVR0,#40H01731201CBLCALLTXXS；調(diào)用圖形顯示子程序0176D0E0POPA0178F8MOVR0,A017912026FLCALLDELAY1;調(diào)用延時(shí)子程序017CB820E3CJNER0,#20H,LOOP1017F00NOP01807810MOVR0,#10H0182790FMOVR1,#0FH0184120241LCALLLB1；濾波0187120266LCALLSZ；修正018A1201DFLCALLSJCL；數(shù)據(jù)處理018D1201FFLCALLBJ；判斷報(bào)警019012020BLCALLSJXS；數(shù)據(jù)顯示01937840MOVR0,#40H01951201CBLCALLTXXS；圖形顯示0198C291CLRP1.1；顯示工作燈亮019A020160LJMPLOOP019D7A00CSH：MOVR2,#00H019F7940MOVR1,#40H01A1900500MOVDPTR,#0500H；將0500～050BH內(nèi)容送入01A4EALOOP2：MOVA,R2；40～4BH01A593MOVCA,@A+DPTR01A6F7MOV@R1,A01A708INCR001A809INCR101A9BA0CF8CJNER2,#0CH,LOOP201AC7A00MOVR2,#00H01AE7950MOVR1,#50H01B0900510MOVDPTR,#0510H；將0510～051BH內(nèi)容送入50～5BH01B3EALOOP3：MOVA,R201B493MOVCA,@A+DPTR01B5F7MOV@R1,A01B608INCR001B709INCR101B8BA0CF8CJNER2,#0CH,LOOP301BB7A00MOVR2,#00H01BD7960MOVR1,#60H01BF900520MOVDPTR,#0520H；將0520～052BH內(nèi)容送入60～6BH01C2EALOOP4：MOVA,R201C393MOVCA,@A+DPTR01C4F7MOV@R1,A01C508INCR001C609INCR101C7BA0CF8CJNER2,#0CH,LOOP401CA22RET[HT1.]2)INT0中斷服務(wù)子程序流程圖INT0中斷服務(wù)子程序流程圖如圖10.21所示。圖10.21INT0中斷服務(wù)子程序流程圖10.5.3智能有害氣體傳感器設(shè)計(jì)

1.要求設(shè)計(jì)CO智能氣體傳感器，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：測(cè)量范圍：0~500ppm(注：ppm=1×10-6)。分辨力：1ppm。溫度范圍：-20~+50℃。液晶屏顯示。具有聲、光報(bào)警功能。具有二級(jí)報(bào)警功能。具有自檢功能。

2.參考電路

CO氣體傳感器直接與環(huán)境中的被測(cè)氣體反應(yīng)，產(chǎn)生線(xiàn)性變化的微弱電流信號(hào)，此輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大，并被轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后送給Microchip公司的PIC單片機(jī)，PIC單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換、模型運(yùn)算等處理，直接在液晶屏上顯示被測(cè)氣體的濃度值。

CO氣體傳感器可設(shè)置二級(jí)報(bào)警，當(dāng)氣體濃度達(dá)到預(yù)置的報(bào)警值時(shí)，將依據(jù)報(bào)警的級(jí)別不同，發(fā)出不同頻率的聲、光報(bào)警信號(hào)。另外，該儀器還具有自檢、電池欠壓指示、調(diào)零和標(biāo)定等功能。

1）硬件電路設(shè)計(jì)概述

PIC16F87