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1、1,智能傳感器與傳感系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用,,2,智能傳感器與傳感器系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用,0 引言 1 智能傳感器的定義及功能 2 智能傳感器與傳感系統(tǒng)的特點(diǎn) 3 智能傳感器與傳感系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用 4 結(jié)語(yǔ),3,0 引言 傳感器是構(gòu)建現(xiàn)代信息系統(tǒng)的重要組成部分。 現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱： 1. 傳感器技術(shù)（信息采集）“感官” 2. 通信技術(shù)（信息傳輸） “神經(jīng)” 3. 計(jì)算機(jī)技術(shù)（信息處理）“大腦”,4,目前，傳感器正從傳統(tǒng)的分立式，朝著單片集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展。 據(jù)光電行業(yè)開(kāi)發(fā)協(xié)會(huì)（OIDA）作出的最新預(yù)測(cè)，在2003年2006年期間，智能傳感器的國(guó)際市場(chǎng)銷(xiāo)售量將以每年20
2、的高速度增長(zhǎng)。 智能傳感器可廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事科研、航空航天、現(xiàn)代辦公設(shè)備和家用電器等領(lǐng)域。,5,1 智能傳感器的定義及功能 1.1 智能傳感器的定義 目前，關(guān)于智能傳感器的中、英文稱(chēng)謂尚未完全統(tǒng)一。英國(guó)人將智能傳感器稱(chēng)為“Intelligent Sensor”；美國(guó)人則習(xí)慣于把智能傳感器稱(chēng)作“Smart Sensor”，直譯就是“靈巧的、聰明的傳感器”。 所謂智能傳感器，就是帶微處理器、兼有信息檢測(cè)和信息處理功能的傳感器。,6,智能傳感器的最大特點(diǎn)就是將傳感器檢測(cè)信息的功能與微處理器的信息處理功能有機(jī)地融合在一起。從一定意義上講，它具有類(lèi)似于人工智能
3、的作用。 需要指出，這里講的“帶微處理器”包含兩種情況： （1）將傳感器與微處理器集成在一個(gè)芯片上構(gòu)成所謂的“單片智能傳感器” （2）傳感器能夠配微處理器。 顯然，后者的定義范圍更寬，但二者均屬于智能傳感器的范疇。,,7,世界上第一個(gè)智能傳感器是美國(guó)霍尼韋爾（Honeywell）公司在1983年開(kāi)發(fā)的ST3000系列智能壓力傳感器。它具有的多參數(shù)傳感(差壓、靜壓和溫度)與智能化的信號(hào)調(diào)理功能 。 最近，該公司還相繼開(kāi)發(fā)出ST3000900/2000等系列的新產(chǎn)品，使之功能進(jìn)一步完善。目前，ST3000系列智能壓力傳感器在全世界的銷(xiāo)量已突破50萬(wàn)只，深受廣大用戶(hù)的青睞。,8,1.2 智能傳感
4、器的功能 （1）具有自校準(zhǔn)和自診斷功能。智能傳感器不僅能自動(dòng)檢測(cè)各種被測(cè)參數(shù)，還能進(jìn)行自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)調(diào)平衡、自動(dòng)校準(zhǔn)，某些智能傳感器還能自標(biāo)定功能。,9,（2）具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、邏輯判斷和信息處理功能，能對(duì)被測(cè)量進(jìn)行信號(hào)調(diào)理或信號(hào)處理（包括對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、線(xiàn)性化，或?qū)囟取㈧o壓力等參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償?shù)龋?10,（3）具有組態(tài)功能，使用靈活。在智能傳感器系統(tǒng)中可設(shè)置多種模塊化的硬件和軟件，用戶(hù)可通過(guò)微處理器發(fā)出指令，改變智能傳感器的硬件模塊和軟件模塊的組合狀態(tài)，完成不同的測(cè)量功能。,11,（4）具有雙向通信功能，能直接與微處理器（P）或單片機(jī)（ C ）通信。,12,2 智能傳感器與傳感系統(tǒng)的特點(diǎn)
5、2.1 高精度 智能傳感器采用自調(diào)零、自補(bǔ)償、自校準(zhǔn)等多項(xiàng)新技術(shù)，能達(dá)到高精度指標(biāo)。 美國(guó)BB（BURRBROWN）公司：XTR系列精密電流變送器，轉(zhuǎn)換精度 0.05，非線(xiàn)性誤差0.003。,13,美國(guó)霍尼韋爾（Honeywell）公司：PPT、PPTR系列智能精密壓力傳感器，測(cè)量精度為0.05，比傳統(tǒng)壓力傳感器的精度大約提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。其外形如圖1所示。,14,（a）PPT系列 （b）PPTR系列 圖1 外形圖,15,PPT、PPTR系列智能壓力傳感器的內(nèi)部電路框圖如圖2所示。 圖2 PPT、PPTR系列智能壓力傳感器的內(nèi)部電路框圖,16,2.2 寬量程 智能傳感器的測(cè)量范圍很
6、寬，并具有很強(qiáng)的過(guò)載能力。 例如，美國(guó)ADI公司：ADXRS300型單片偏航角速度陀螺儀集成電路 測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)物體的偏航角速度的范圍是300/s。 只需并聯(lián)一只設(shè)定電阻，即可將測(cè)量范圍擴(kuò)展到1200 /s。,17,2.3 多參數(shù)、多功能 （1）多路智能溫度控制器 Pentium 4處理器是Intel公司推出的高性能微處理器。最高主頻目前已達(dá)3.6GHz，它采用了0.13m制程，集成度高達(dá)5500萬(wàn)7700萬(wàn)只晶體管，在芯片中還有內(nèi)置數(shù)字溫度傳感器。 其芯片結(jié)構(gòu)如圖3所示。,18,圖3 Pentium 4處理器芯片的結(jié)構(gòu),19,隨著Pentium 4處理器運(yùn)行速度的大幅度提高，其功耗也顯著增加，必須
7、采取更完善的散熱保護(hù)措施。 2002年，美國(guó)ADI公司專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)出適配Pentium 4處理器的ADT7460型智能化遠(yuǎn)程散熱風(fēng)扇控制器集成電路，并已用于奔騰4計(jì)算機(jī)產(chǎn)品中。,20,奔騰4計(jì)算機(jī)的散熱控制電路如圖4所示。該計(jì)算機(jī)中共使用了3臺(tái)散熱風(fēng)扇。其中，風(fēng)扇1專(zhuān)門(mén)給CPU散熱，風(fēng)扇2和風(fēng)扇3分別安裝在主機(jī)箱的前面和后面給機(jī)箱散熱。 圖4 計(jì)算機(jī)的散熱控制電路,21,微處理器最高可承受的工作溫度規(guī)定為tH，臺(tái)式計(jì)算機(jī)一般為75，高檔筆記本電腦的專(zhuān)用CPU可達(dá)100。 圖5 檢測(cè)CPU的溫度,22,配套軟件日臻完善 溫度傳感器專(zhuān)用計(jì)算機(jī)測(cè)試軟件。,23,24,25,（2）多功能式濕
8、度溫度露點(diǎn)智能傳感器系統(tǒng) 瑞士Sensirion公司：SHT11/15型高精度、自校準(zhǔn)、多功能式智能傳感器。 能同時(shí)測(cè)量相對(duì)濕度、溫度和露點(diǎn)等參數(shù)； 兼有數(shù)字濕度計(jì)、溫度計(jì)和露點(diǎn)計(jì)這3種儀表的功能； 可廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療儀器、通風(fēng)及空調(diào)設(shè)備等領(lǐng)域。,26,SHT11/15型智能傳感器系統(tǒng)，外形尺寸僅為7.62mm（長(zhǎng)）5.08mm（寬）2.5mm（高），質(zhì)量只有0.1g，其體積與一個(gè)大火柴頭相近，見(jiàn)圖6。 圖6 SHT11/15型智能傳感器的外形,27,（1）瑞士Sensirion公司： 將半導(dǎo)體芯片（CMOS）與傳感器技術(shù)融合的CMOSens技術(shù)。 該項(xiàng)技術(shù)亦稱(chēng)
9、“Sensmitter”，它表示傳感器（sensor）與變送器（transmitter）的有機(jī)結(jié)合。,28,SHT11/15的引腳排列如圖7所示。 （a）俯視圖；（b）側(cè)視圖 圖7 SHT11/15的引腳排列圖,29,SHT11/15型濕度溫度傳感器系統(tǒng)的內(nèi)部框圖如圖8所示。 圖8 SHT11/15型濕度溫度傳感器的內(nèi)部電路框圖,30,相對(duì)濕度：（空氣中所含壓強(qiáng)與該溫度下飽和水蒸氣的壓強(qiáng)之比，通常用百分?jǐn)?shù)表示） 測(cè)量范圍：099.99RH； 測(cè)量精度：2RH 分辨力： 0.01RH,31,溫度： 測(cè)量范圍：40123.8 測(cè)量精度：1 分辨力： 0.01 露點(diǎn)：（在水氣冷卻過(guò)程中最初
10、發(fā)生結(jié)露的溫度） 測(cè)量精度：1 分辨力為：0.01,32,由SHT15構(gòu)成的相對(duì)濕度溫度測(cè)試系統(tǒng)的電路框圖如圖9所示。該系統(tǒng)能測(cè)量并顯示出相對(duì)濕度、溫度和露點(diǎn)。SHT15作為從機(jī)，89C51單片機(jī)作為主機(jī)，二者通過(guò)串行總線(xiàn)進(jìn)行通信。 圖9 相對(duì)濕度溫度測(cè)試系統(tǒng)的電路框圖,33,（3）多功能式混濁度/電導(dǎo)/溫度智能傳感器系統(tǒng) 混濁度（亦稱(chēng)不透明度）：表示水或其他液體的不透明程度。,,34,當(dāng)單色光通過(guò)含有懸浮粒子的液體時(shí)，由于懸浮粒子引起光的散射，使單色光的強(qiáng)度被衰減，其衰減量就代表液體的混濁度?；鞚岫仁莻€(gè)比值，其單位用NTU來(lái)表示。,35,美國(guó)霍尼韋爾（Honeywell）公司：APMS1
11、0G型帶微處理器和單線(xiàn)接口的智能化混濁度傳感器系統(tǒng) 能同時(shí)測(cè)量液體的混濁度、電導(dǎo)和溫度，構(gòu)成多參數(shù)在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng) 可廣泛用于水質(zhì)凈化，清洗設(shè)備及化工、食品、醫(yī)療衛(wèi)生等部門(mén)。,,36,APMS10GRCF的外形及插座上的引腳排列如圖10 所示。 （a）外形；（b）插座引腳 圖10 APMS10GRCF的外形及插座上的引腳排列圖,37,APMS10G的內(nèi)部框圖如圖11所示。 圖11 APMS10G的內(nèi)部框圖,38,混濁度測(cè)量原理（圖12）,39,APMS10G通過(guò)9腳RS232插座連計(jì)算機(jī)，接線(xiàn)方式如圖13所示。 圖13 APMS10G與計(jì)算機(jī)的接線(xiàn),40,2.4 自校準(zhǔn)與自標(biāo)定
12、Motorola公司煙霧檢測(cè)報(bào)警IC主要有三種類(lèi)型： 離子型：MC144671、MC14468 光電型：MC145010、MC145011 比較器型：MC14578,41,MC145010配上紅外光電室，即可通過(guò)傳感微小煙霧顆粒的散熱光束來(lái)檢測(cè)煙霧。其基本工作原理是： “紅外發(fā)射二極管紅外光在煙霧顆粒的作用下形成散射光束紅外接收二極管MC145010BZ發(fā)出報(bào)警聲”。,42,（1）自校準(zhǔn) 將MC145010置于校準(zhǔn)模式。在該模式下，某些引腳的功能將被重新設(shè)定。為進(jìn)入校準(zhǔn)模式，需要給TEST端加負(fù)電壓，使該端的輸出電流為100A并保持一個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間。,43,（2）自標(biāo)定 利用自檢模式可以模擬
13、煙霧條件，對(duì)傳感器進(jìn)行自標(biāo)定。,44,具體方法是顯著提高光信號(hào)放大器的增益，將煙霧室中的背景反射光看成是由煙霧產(chǎn)生的散射光，從而獲得模擬的煙霧條件。 經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期后，光信號(hào)放大器的增益恢復(fù)正常值，模擬的煙霧條件就被撤銷(xiāo)。,45,2.5 生物傳感器 生物識(shí)別技術(shù)是人體生物特征進(jìn)行身份鑒別的技術(shù)。要求這些特征具有“人各有異”、“終身不變”和“隨身攜帶”這三大特點(diǎn)。,46,生物識(shí)別系統(tǒng)的組成如圖14所示。 圖14 生物識(shí)別系統(tǒng)的組成,,47,指紋具有惟一性（隨身攜帶、無(wú)法復(fù)制、人人不同、指指相異）。 根據(jù)指紋學(xué)理論，將兩個(gè)指紋分別匹配上12個(gè)特征時(shí)的相同幾率僅為1/1050。因此，
14、至今找不出兩個(gè)指紋完全相同的人， 即使相貌酷似的孿生兄弟姐妹，或同一個(gè)人的十指之間，指紋也存在明顯差異。 指紋的這一特點(diǎn)，為身份鑒定提供了客觀(guān)依據(jù)。,48,指紋圖像的獲取 取像設(shè)備主要有以下4種類(lèi)型： 光學(xué)取像設(shè)備（例如微型三棱鏡矩陣） 壓電式指紋傳感器 半導(dǎo)體指紋傳感器 超聲波指紋掃描儀。,49,指紋的基本紋路圖案：基本紋路圖案有環(huán)形、弓形和螺旋形，如圖15所示。其他指紋圖案都是基于這三種基本圖案衍生而成的。 （a）環(huán)型；（b）弓型；（c）螺旋型 圖15 3種基本紋路圖案,50,指紋識(shí)別過(guò)程： 指紋采樣指紋圖像預(yù)處理二值化處理細(xì)化，紋路提取細(xì)節(jié)特征提取指紋匹配（即指紋庫(kù)的查對(duì)）
15、。如圖16所示。 圖16 指紋識(shí)別過(guò)程,51,半導(dǎo)體指紋傳感器 半導(dǎo)體指紋傳感器亦稱(chēng)單片集成指紋傳感器或CMOS固態(tài)指紋傳感器，它是在20世紀(jì)90年代末問(wèn)世的。 指紋傳感器，可廣泛用于便攜式指紋識(shí)別儀，網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)及工作站的保護(hù)裝置，自動(dòng)柜員機(jī)（ATM）、智能卡、手機(jī)、計(jì)算機(jī)、門(mén)禁系統(tǒng)等身份識(shí)別器，還可構(gòu)成賓館、家庭的門(mén)鎖識(shí)別系統(tǒng)。,52,（1）溫差感應(yīng)式指紋傳感器 它是基于溫度感應(yīng)的原理而制成的，每個(gè)像素都相當(dāng)于一個(gè)微型化的電荷傳感器，用來(lái)感應(yīng)手指與芯片映像區(qū)域之間某點(diǎn)的溫度差，產(chǎn)生一個(gè)代表圖像信息的電信號(hào)。 典型產(chǎn)品：美國(guó)Atmel公司的FCD4B14 。 可在0.1s內(nèi)獲取指紋圖像（
16、時(shí)間一長(zhǎng)，手指和芯片就處于相同的溫度了） 。,53,FCD4B14的外形、引腳和安裝圖分別如圖17、圖18、圖19所示。 （a）DIP20陶瓷封裝；（b）COB封裝 圖17 FCD4B14的外形圖,54,（a）表面傾斜式；（b）將傳感器裝在靠邊緣處 圖18 FCD4B14的安裝圖,55,FCD4B14型指紋傳感器的內(nèi)部電路框圖如圖18所示。 圖19 FCD4B14的內(nèi)部電路框圖,56,傳感器共有8行280列，包含82802240個(gè)像素，另有一個(gè)虛列。 基本工作原理：行、列掃描指紋的模擬圖像經(jīng)過(guò)兩個(gè)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像通過(guò)8位鎖存器輸出到微處理器或計(jì)算機(jī)中。,57,（2）電容感應(yīng)
17、式指紋傳感器 由電容陣列構(gòu)成 內(nèi)部包含9萬(wàn)只微型化電容器 基本工作原理：當(dāng)用戶(hù)將手指放在正面時(shí)，皮膚就組成了電容陣列的一個(gè)極板，電容陣列的背面是絕緣極板。由于不同區(qū)域指紋的脊和谷之間的距離也不相等，使每個(gè)單元的電容量隨之而變，由此可獲得指紋圖像。,58,典型產(chǎn)品：美國(guó)Veridicom公司FPS100 FPS100的外形以及由它構(gòu)成的指紋識(shí)別系統(tǒng)輸入設(shè)備如圖20所示，輸入設(shè)備與計(jì)算機(jī)相連。 （a）FPS100的外形；（b）指紋識(shí)別系統(tǒng)的輸入設(shè)備 圖20 FPS100的外形以及指紋識(shí)別系統(tǒng)的輸入設(shè)備,59,美國(guó)Veridicom公司： 圖像搜索技術(shù)（ImageSeekTM） 高速圖像傳輸技術(shù)
18、 手指自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)。,60,FPS100的內(nèi)部框圖如圖21所示。 圖21 FPS100的內(nèi)部框圖,61,2.6 超小型化、微功耗 智能傳感器正朝著短、小、輕、薄的方向發(fā)展，以滿(mǎn)足航空、航天及國(guó)防尖端技術(shù)領(lǐng)域的急需，并且為開(kāi)發(fā)便攜式、袖珍式檢測(cè)系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件。,62,ADXRS300型單片偏航角速度陀螺儀集成電路 基于“音叉陀螺儀”（tuning fork gyro）的原理，采用表面顯微機(jī)械加工工藝和BiCMOS半導(dǎo)體工藝而制成的。,63,基本工作原理：在科里奧利力的作用下，角速度傳感器的轉(zhuǎn)動(dòng)方向不變，而旋轉(zhuǎn)方向可以是順時(shí)針，也可以是逆時(shí)針，由轉(zhuǎn)動(dòng)物體而定。ADXRS300通過(guò)電容對(duì)
19、偏航角速度進(jìn)行采樣，再依次經(jīng)過(guò)能產(chǎn)生180相移的型解調(diào)器、低通濾波器和輸出放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，最終獲得與Z軸方向的角速度成正比的電壓信號(hào)。,64,其工作原理示意圖如圖22所示。 圖22 角速度傳感器工作原理示意圖,65,ADXRS300的內(nèi)部電路框圖如圖23所示。 圖23 ADXRS300的內(nèi)部電路框圖,66,由陀螺制成的角速度計(jì)主要用于慣性導(dǎo)航，通信天線(xiàn)的定向。由美國(guó)Systron公司生產(chǎn)的QRS110001020型角速度計(jì)的指標(biāo)為:最大量程土100/s，分辨力為0.050/s(均方根值);通數(shù)帶為0Hz一60Hz。見(jiàn)圖23。,圖23,67,3 智能傳感器與傳感系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用
20、智能微塵傳感器 生物芯片 總線(xiàn)技術(shù) 高可靠性 安全性,68,3.1 智能微塵傳感器 智能微塵（Smart Micro Dust）是一種具有電腦功能的超微型傳感器。從肉眼看來(lái)，它和一顆沙粒沒(méi)有多大區(qū)別。但內(nèi)部卻包含了從信息收集、信息處理到信息發(fā)送所必需的全部部件。,69,目前，直徑約為5mm的智能微塵已經(jīng)問(wèn)世，智能微塵的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖24所示。未來(lái)的智能微塵甚至可以懸浮在空中幾個(gè)小時(shí)，搜集、處理并無(wú)線(xiàn)發(fā)射信息。 a）肉眼所看到的智能微塵 b）智能微塵的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖24 智能微塵的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu),70,智能微塵還可以“永久”使用，因?yàn)樗粌H自帶微型薄膜電池，還有一個(gè)微型的太陽(yáng)能電池為它充電。
21、最近，美國(guó)英特爾公司制定了基于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型計(jì)算機(jī)的發(fā)展規(guī)劃，也將致力于研究智能微塵傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作。,71,,72,生物傳感器系統(tǒng)亦稱(chēng)生物芯片，它是繼大規(guī)模集成電路之后的又一次具有深遠(yuǎn)意義的科技革命。 生物芯片不僅能模擬人的嗅覺(jué)（如電子鼻）、視覺(jué)（如電子眼）、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、觸覺(jué)等，還能實(shí)現(xiàn)某些動(dòng)物的特異功能（例如海豚的聲納導(dǎo)航測(cè)距，蝙蝠的超聲波定位，犬類(lèi)極靈敏的嗅覺(jué)，信鴿的方向識(shí)別，昆蟲(chóng)的復(fù)眼）。 生物芯片的效率是傳統(tǒng)檢測(cè)手段的成百、上千倍。,73,德國(guó)英飛凌（Infineon）公司最近開(kāi)發(fā)出具有活神經(jīng)細(xì)胞、能讀取細(xì)胞所發(fā)出電子信息的“神經(jīng)元芯片”，芯片上有16384個(gè)傳感器，每個(gè)傳
22、感器之間的距離僅為8m。 當(dāng)人體受到電擊時(shí)，利用它可獲取神經(jīng)組織的活動(dòng)數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成彩色圖片，見(jiàn)圖26（b）。,圖26,74,3.3 總線(xiàn)技術(shù) 智能傳感器的總線(xiàn)技術(shù)現(xiàn)正逐步實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。 目前所采用的總線(xiàn)主要有以下六種： Wire 總線(xiàn) I2C總線(xiàn) SMBus SPI總線(xiàn) Micro Wire總線(xiàn) USB總線(xiàn),75,,（1）USB接口 USB是“通用串行總線(xiàn)”（Universal Serial Bus）的英文縮寫(xiě)。USB是由Compaq、IBM、Intel、微軟等公司于1994年共同提出的。USB接口具有連接單一化、軟件自動(dòng)“偵測(cè)”、能直接配PC
23、機(jī)、能實(shí)現(xiàn)熱插拔的優(yōu)點(diǎn)。 目前，USB1.0的傳輸速率為12Mpbs，而 USB2.0的傳輸速率最高可達(dá)480Mpbs。這是其它總線(xiàn)所無(wú)法達(dá)到的。,76,（2）SPI總線(xiàn)接口 MAX1457屬于高精度（0.1）硅壓阻式壓力信號(hào)調(diào)理器芯片。 由n個(gè)壓力測(cè)量模塊與微機(jī)、數(shù)字電壓表可構(gòu)成基于SPI總線(xiàn)的高精度壓力測(cè)試系統(tǒng)。,77,電路如圖27所示。 圖27 基于SPI總線(xiàn)的高精度壓力測(cè)試系統(tǒng)的電路,78,（3）基于HART協(xié)議的測(cè)試系統(tǒng) 問(wèn)題的提出：目前智能傳感器都是數(shù)字式的，而在工業(yè)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)仍大量使用420mA模擬輸出的系統(tǒng)（包括傳感器、變送器及二次儀表等）。,79,為了解決這一技術(shù)難題
24、，美國(guó)羅斯蒙特（Rosemount）公司提出了HART協(xié)議（Highway Addressable Remote Transducer Protocol，可尋址遠(yuǎn)程傳感器通信協(xié)議）作為過(guò)渡性標(biāo)準(zhǔn)。 該通信協(xié)議具有與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)相類(lèi)似的體系結(jié)構(gòu)以及總線(xiàn)式數(shù)字通信功能。,80,HART協(xié)議是在模擬信號(hào)上疊加了FSK（頻移鍵控）數(shù)字信號(hào)，因此可同時(shí)進(jìn)行模擬通信和數(shù)字通信。這就保證了420mA模擬系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容，能在一條雙絞線(xiàn)上連接多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，構(gòu)成多站網(wǎng)絡(luò)，使不同廠(chǎng)家的產(chǎn)品互相通用。,81,,HART協(xié)議采用“頻移鍵控”（FSK）技術(shù)。頻移鍵控是頻率調(diào)制的一種方法，典型例子是用二進(jìn)制信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻
25、，用一個(gè)頻率表示數(shù)據(jù)“1”，另一頻率表示“0”。HART協(xié)議是在4mA20mA的模擬信號(hào)上疊加不同的頻率信號(hào)，來(lái)代表所要傳輸或接收的數(shù)據(jù)。 數(shù)字信號(hào)用1200Hz代表邏輯“1”、2200Hz代表邏輯“0”，信號(hào)傳輸速率為1200bit/s，數(shù)字頻率信號(hào)的電流幅值為0.5mA。 由于在一個(gè)周期內(nèi)數(shù)字頻率信號(hào)的平均值為零，因此不會(huì)對(duì)4mA20mA的模擬信號(hào)產(chǎn)生影響，這是HART協(xié)議最重要的特點(diǎn)之一。,82,圖28 HART協(xié)議的信號(hào)波形,83,3.4 虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器 （1）虛擬傳感器 虛擬傳感器是基于軟件開(kāi)發(fā)而成的智能傳感器。它是在硬件的基礎(chǔ)上通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能的，利用軟件還可完成
26、傳感器的校準(zhǔn)及標(biāo)定，使之達(dá)到最佳性能指標(biāo)。,84,（2）網(wǎng)絡(luò)傳感器 智能傳感器的另一發(fā)展方向就是網(wǎng)絡(luò)傳感器。 網(wǎng)絡(luò)傳感器是包含數(shù)字傳感器、網(wǎng)絡(luò)接口和處理單元的新一代智能傳感器。,85,被測(cè)模擬量數(shù)字傳感器數(shù)字量微處理器測(cè)量結(jié)果網(wǎng)絡(luò)。 可實(shí)現(xiàn)各傳感器之間、傳感器與執(zhí)行器之間、傳感器與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換及資源共享，在更換傳感器時(shí)無(wú)須進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)，可做到“即插即用”。,86,美國(guó)Honeywell公司開(kāi)發(fā)的PPT系列、PPTR系列和PPTE系列智能精密壓力傳感器就屬于網(wǎng)絡(luò)傳感器。 在構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)時(shí)，能確定每個(gè)傳感器的全局地址、組地址和設(shè)備識(shí)別號(hào)（ID）地址。用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)就能獲取任何一只傳感器的數(shù)據(jù)
27、并對(duì)該傳感器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。,87,a) RS232環(huán)形網(wǎng)絡(luò) 具有6個(gè)PPT單元的RS232環(huán)形網(wǎng)絡(luò)如圖29所示。 RS232環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的起點(diǎn)和終點(diǎn)都在主機(jī)的TXD、RXD和GND接口線(xiàn)上。其特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)接口可接多臺(tái)PC機(jī)的串行接口。 圖29 具有6個(gè)PPT單元的RS232環(huán)形網(wǎng)絡(luò),88,b) RS485多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò) 具有6個(gè)PPT單元的RS485多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)如圖30所示。在該網(wǎng)絡(luò)中，各PPT單元的ID地址可以不按照順序排列。 圖30 具有6個(gè)PPT單元的RS485多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),89,2005年7月27日，華旗資訊在人民大會(huì)堂召開(kāi)了“自主創(chuàng)新，產(chǎn)業(yè)報(bào)國(guó)愛(ài)國(guó)者V（勝利）系列數(shù)碼相機(jī)新品發(fā)布會(huì)”，首次向外
28、界推出“全球第一臺(tái)具有內(nèi)容保真和版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印數(shù)碼相機(jī)”：愛(ài)國(guó)者V815 plus、V80 plus、V80、V60 plus、V60和數(shù)字水印數(shù)碼相機(jī)。其中，具有800萬(wàn)像素的V80型（國(guó)家863計(jì)劃），結(jié)束了數(shù)碼像片不能作為直接證據(jù)和沒(méi)有版權(quán)保護(hù)的應(yīng)用瓶頸，填補(bǔ)了數(shù)字圖像知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)領(lǐng)域的空白。其存儲(chǔ)模式為JPEG（最佳/優(yōu)質(zhì)/標(biāo)準(zhǔn)）。打破了日本在數(shù)碼相機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)壟斷。,90,數(shù)字水印相機(jī)有六大特點(diǎn)： 在拍攝照片的同時(shí)嵌入一個(gè)易損的水印，嵌入水印時(shí)，不能改變圖像的質(zhì)量和大小，圖像的特征值/摘要與嵌入水印的內(nèi)容融合、一一對(duì)應(yīng)； 水印的嵌入與數(shù)碼照片的生成同步進(jìn)行； 數(shù)碼照片中的任何惡意
29、改動(dòng)，都能破壞水印信息的完整性； 能夠自動(dòng)定位數(shù)碼照片篡改的任何微小區(qū)域； 完整性的檢測(cè)/認(rèn)證能夠精確到圖像的最小單位（1像素）； 抵抗水印的重復(fù)添加。 例如用V815拍一張照片（見(jiàn)下圖），然后用PhotoShop在其額頭點(diǎn)了一下。然后用隨機(jī)軟件瀏覽時(shí)，系統(tǒng)馬上提示照片真實(shí)性無(wú)法確定，并且指出針對(duì)原圖修改的位置。,91,預(yù)計(jì)2007年10月24日我國(guó)發(fā)射的嫦娥1號(hào)探月衛(wèi)星，有效載荷有6套24件，包括CCD立體相機(jī)、激光高度計(jì)、成像光譜儀、伽馬/X射線(xiàn)譜儀、微波探測(cè)儀和太陽(yáng)風(fēng)粒子探測(cè)器等。激光高度計(jì)由激光器、望遠(yuǎn)鏡和接收電路三部分組成，由中科院上海技術(shù)物理研究所研制。激光高度計(jì)首先向月面發(fā)射激光
30、束，并立刻用望遠(yuǎn)鏡把反射回來(lái)的光束變成電信號(hào)；通過(guò)精確計(jì)算得出該探測(cè)點(diǎn)的月球海拔高度，再與CCD立體相機(jī)拍攝的平面圖像相疊加，獲得月面三維地形圖。包括人類(lèi)探月活動(dòng)從未涉及的月球兩極區(qū)域。,92,93,,,x射線(xiàn)譜儀 月球元素圖,94,,,拍攝月球三維影像的立體相機(jī)CCD,95,,,嫦娥一號(hào)衛(wèi)星的模型,96,,,2007年10月24日嫦娥一號(hào)探月衛(wèi)星發(fā)射成功,97,,,測(cè)試廠(chǎng)房?jī)?nèi)景,98,99,,,100,101,,102,,,收藏于北京天文館的半克月巖,103,神州六號(hào)飛船 的儀表板,,104,,船箭分離,船箭分離,船箭分離瞬間,105,,106,,“神七”飛天在即,“神七”飛天在即,107,
31、神舟七號(hào)成功返回地面,108,4 結(jié)語(yǔ) 智能傳感器是信息時(shí)代的驕子，它正成為推動(dòng)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。智能傳感器在電子信息工程領(lǐng)域具有特殊重要的意義，需要我們繼續(xù)深入地研究、開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用。,109,主要參考文獻(xiàn) 1. Honeywell公司、Humirel公司、Mierosemi公司、Agilent公司、Atmel公司、Veridicom公司、ADI公司、NSC公司、Telcom公司、Philips公司、MAXIM公司、DALLAS公司、ST公司、Motorola公司、Sensirion公司、HOLTEK公司、Rosemount公司、Infineon公司、Murata Manufactuaring Co.，Lta公司產(chǎn)品資料，20002003 2. 沙占友，集成化智能傳感器原理與應(yīng)用，電子工業(yè)出版社，2004.1 3. 沙占友，智能傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，電子工業(yè)出版社，2004.6 4. 沙占友，數(shù)字化測(cè)量技術(shù)與應(yīng)用，機(jī)械工業(yè)出版社，2004.4,110,謝謝大家!,
智能傳感器與傳感器系統(tǒng).ppt
