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智能傳感器的設(shè)計(jì)
智能傳感器的設(shè)計(jì)，小編為大家獻(xiàn)上的關(guān)于智能傳感器的設(shè)計(jì)的了論文哦!歡迎大家借鑒!
【摘 要】電子自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展與進(jìn)步促使智能傳感器技術(shù)日趨發(fā)展，國(guó)內(nèi)外一些企業(yè)已經(jīng)大力開(kāi)展有關(guān)集成智能傳感器的研制，并取得了令人矚目的發(fā)展。本文針對(duì)智能傳感器的發(fā)展與設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。
【關(guān)鍵詞】智能傳感器;發(fā)展;設(shè)計(jì);自動(dòng)化
智能傳感器系統(tǒng)是一門(mén)現(xiàn)代綜合技術(shù)，是當(dāng)今世界正在迅速發(fā)展的高新技術(shù)，所以我們應(yīng)該掌握只能傳感器的設(shè)計(jì)，從而推動(dòng)我國(guó)自動(dòng)化的發(fā)展。
1 智能傳感器的發(fā)展
1.1 朝著高精度方向發(fā)展
隨著自動(dòng)化生產(chǎn)模式的再擴(kuò)大，對(duì)智能傳感器的技術(shù)水平要求也在不斷提高, 高精度的智能傳感器是生產(chǎn)自動(dòng)化的可靠性的有效保障，研制出具有靈敏度高、精確度高、響應(yīng)速度快、互換性好的新型智能傳感器是其未來(lái)發(fā)展的不然趨勢(shì)。
1.2 朝著高可靠性、寬溫度范圍方向發(fā)展
由于智能傳感器的可靠性對(duì)電子設(shè)備的抗干擾等性能具有直接的影響，我們需要研究發(fā)現(xiàn)新的材料，利用新型材料研制基本傳感器�；緜鞲衅魇侵悄軅鞲衅鞯幕A(chǔ), 它的制作及其性能對(duì)整個(gè)智能傳感器影響甚大。除硅材料具有優(yōu)良的物理特性, 能夠方便地制成各種集成傳感器。此外還有功能陶瓷、石英、記憶合金等都是制作傳感器的優(yōu)質(zhì)材料。用來(lái)研制高可靠性、寬溫度范圍的智能傳感器，來(lái)抵抗電磁對(duì)它的干擾。
1.3 朝著微型化方向發(fā)展
當(dāng)下，各種控制儀器設(shè)備在功能越來(lái)越強(qiáng)的同時(shí)，還要求體積的微型化，智能傳感器當(dāng)然也不是一個(gè)例外。這就要求發(fā)展新的材料及微細(xì)的加工技術(shù)。近年來(lái)，微加工技術(shù)日趨成熟，可以加工高性能的微結(jié)構(gòu)傳感器、ASIC 制作技術(shù), 也可用于制造智能傳感器。來(lái)研制出體積非常小、互換性可靠性都較好的智能傳感器。
1.4 朝著微功耗及無(wú)源化方向發(fā)展
智能傳感器是利用非電量向電量轉(zhuǎn)化的原理制成的，電源是其正常工作的必備品，一旦是在野外現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)離電網(wǎng)的工作環(huán)境，電池供電或太陽(yáng)能供電將成為智能傳感器應(yīng)用的電源，既可以節(jié)省能源又可以提高系統(tǒng)壽命的智能傳感器是現(xiàn)在所急需的，這也就決定了研制微功耗的傳感器及無(wú)源傳感器將是智能傳感器必然的發(fā)展方向。
1.5 朝著智能化數(shù)字化方向發(fā)展
由于我國(guó)自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步，智能傳感器的功能已不再受傳統(tǒng)的功能的束縛, 對(duì)智能傳感器的要求即輸出的不再僅僅是單一的模擬信號(hào)，而是經(jīng)過(guò)微電腦處理好后的數(shù)字信號(hào)，這些數(shù)字信號(hào)有的附帶一定的控制功能，這也是智能傳感器發(fā)展的趨勢(shì)。
1.6 朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展
近幾年來(lái)，網(wǎng)絡(luò)的作用和優(yōu)勢(shì)已經(jīng)逐步凸顯出來(lái)，智能傳感器的網(wǎng)絡(luò)化也占有越來(lái)越重要的位置。網(wǎng)絡(luò)化的智能傳感器將不僅會(huì)促進(jìn)我國(guó)電子科技的不斷發(fā)展與進(jìn)步，更能把智能傳感器在全球范圍內(nèi)進(jìn)行普及。
2 智能傳感器的設(shè)計(jì)
針對(duì)智能傳感器的小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)，我們應(yīng)該設(shè)計(jì)一種多功能集成的智能傳感器。智能傳感器的實(shí)現(xiàn)是在傳感器、計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理、網(wǎng)絡(luò)控制等技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的, 它綜合了上述這些技術(shù), 并隨這些技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。在智能傳感器的設(shè)計(jì)上, 首先要考慮與外界環(huán)境相關(guān)的一些物理量信號(hào), 這些物理量信號(hào)通過(guò)敏感元器件轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào), 對(duì)這些模擬信號(hào)的檢測(cè)要求滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求。
在智能傳感器的設(shè)計(jì)中應(yīng)采用高精度的數(shù)據(jù)采集芯片。它的功能是以比較低的成本獲得極高的分辨率，芯片上集成有多路開(kāi)關(guān)、可編程增益放大器、增益及零點(diǎn)校正等, 可以直接處理傳感器輸出的微弱信號(hào), 這樣不但簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì), 而且在提高系統(tǒng)性能的同時(shí)降低了成本。
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成
只能傳感器系統(tǒng)由以下3 部分組成：傳感模塊、信號(hào)處理模塊和通訊模塊。
2.1.1 傳感模塊
傳感模塊將各種物理量轉(zhuǎn)換為電量，主要由具體的傳感單元來(lái)實(shí)現(xiàn)，如溫濕度傳感單元、光敏傳感單元及氣敏傳感單元等，其輸出包括模擬量、數(shù)字量、開(kāi)關(guān)量等。它需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，這主要是通過(guò)對(duì)MAX1400的編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。MAX1400內(nèi)部各部分電路的工作狀態(tài)由一組內(nèi)部寄存器控制。這些內(nèi)部寄存器包括8個(gè)可單獨(dú)尋址的寄存器。其中通信寄存器主要控制對(duì)內(nèi)部寄存器的訪(fǎng)問(wèn);兩個(gè)全局設(shè)置寄存器主要用來(lái)選擇模擬輸入通道、設(shè)置調(diào)制頻率、數(shù)字抽取濾波器抽取因子、數(shù)字濾波器頻率響應(yīng)和其他工作狀態(tài);特殊功能寄存器用于控制整個(gè)器件;3個(gè)傳輸函數(shù)寄存器分別用來(lái)設(shè)置對(duì)應(yīng)于3個(gè)模擬輸入通道的PGA 增益和DAC 偏移量;數(shù)據(jù)寄存器用于保存轉(zhuǎn)換結(jié)果。
2.1.2 信號(hào)處理模塊
信號(hào)處理模塊以微處理器為核心，主要完成A\D 轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理和數(shù)據(jù)輸出調(diào)度。從智能傳感器高可靠性、低功耗、微體積等特點(diǎn)來(lái)考慮，選用Winbond 公司的W78E58 單片機(jī)，該型號(hào)的單片機(jī)性?xún)r(jià)比高、速度快、程序空間大，能很好地滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。信號(hào)處理單元包含微處理芯片和存儲(chǔ)器。一方面用來(lái)存儲(chǔ)傳感器的物理特征: 偏移、靈敏度、校準(zhǔn)參數(shù),甚至傳感器的廠家信息，另一方面微處理器需要根據(jù)實(shí)際的需要對(duì)傳感器的輸入進(jìn)行處理和變換, 用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和補(bǔ)償, 以及輸出校準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)智能傳感器之間以及它們與檢測(cè)控制設(shè)備之間的互連, 設(shè)計(jì)中必須保證網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)能夠滿(mǎn)足共同的協(xié)議, 實(shí)現(xiàn)即插即用功能, 它是對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)設(shè)備最基本的要求。
2.1.3 通訊模塊
通訊模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳送及接收遠(yuǎn)程控制命令等。工業(yè)應(yīng)用中采用的網(wǎng)絡(luò)形式有多種，現(xiàn)在一般都采用各種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)等，我們可以在PC 機(jī)上廣泛使用的TCP\IP 協(xié)議，這是因?yàn)門(mén)CP\IP協(xié)議已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信中的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議, 它具有開(kāi)放性、低成本、高速度、高可靠性等特點(diǎn), 而且連網(wǎng)方便, 有眾多的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)軟件。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口的方式一般有兩種: 軟件方式和硬件方式。軟件方式是開(kāi)發(fā)者將所采用的協(xié)議模式嵌入到特定的芯片中，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是成本低，但實(shí)施起來(lái)具有一定的困難;硬件方式是直接使用已經(jīng)嵌入了協(xié)議的芯片，使用這些芯片操作簡(jiǎn)單、使用方便，但它所需要的成本太高，利用這些芯片組網(wǎng)動(dòng)輒幾千元。綜合考慮實(shí)現(xiàn)的方便性及設(shè)備的成本問(wèn)題, 這里采用的是軟硬件結(jié)合的方式，就是把協(xié)議寫(xiě)入到單片機(jī)中，用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)8029 芯片的網(wǎng)卡來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口。
2.2 智能傳感器軟硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：智能傳感器的硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)該包含網(wǎng)絡(luò)化接口, 這樣便于與遠(yuǎn)程Internet 進(jìn)行通訊的實(shí)現(xiàn)，復(fù)雜可編程邏輯器件用于進(jìn)行單片機(jī)與網(wǎng)絡(luò)芯片8029 之間的邏輯轉(zhuǎn)換，AM 作為收發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，EEPROM 用于存放斷電需保存的數(shù)據(jù), 如本機(jī)IP 地址、網(wǎng)關(guān)IP 地址等, 這些設(shè)置都是智能傳感器的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所必須的設(shè)備。
軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：只能傳感器軟件設(shè)計(jì)中的網(wǎng)絡(luò)接口的實(shí)現(xiàn)，采取的是軟硬件結(jié)合的形式，微處理器2是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的核心。一方面, 它要處理傳統(tǒng)傳感器部分傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù);另一方面, 它要根據(jù)IP 地址和端口把待發(fā)送的數(shù)據(jù)壓縮成能直接在Internet 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包送給網(wǎng)絡(luò)芯片8029 發(fā)送, 又要根據(jù)8029 芯片的邏輯時(shí)序, 對(duì)8029 進(jìn)行控制, 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。由上分析可知, 網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于完成對(duì)待收發(fā)數(shù)據(jù)的解包打包及實(shí)現(xiàn)對(duì)8029 芯片的控制。
3 結(jié)語(yǔ)
智能傳感器是測(cè)量技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、信息處理技術(shù)、微電子學(xué)、材料科學(xué)互相結(jié)合的綜合密集型技術(shù)。我們需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的研究，從而與國(guó)際自動(dòng)化技術(shù)水平接軌。
參考文獻(xiàn)：
[1]王汝文, 宋政湘, 楊偉. 電器智能化原理及應(yīng)用[M ]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2003.
[2]劉光斌, 劉冬, 姚志誠(chéng). 單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)用抗干擾技術(shù)[M ]. 北京: 人民郵電出版社, 2003
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