智能传感器系统(智能传感器系统设计)

 

第一步——传感器信号数字化

当工程师设计带有传感器的系统时，他们首先会建立传感器对被测物理量的响应的数学模型，以及信号调理电路对传感器输出信号的期望响应的数学模型，然后用电路实现这些数学模型。尽管上述模型都很好，但是必须注意，这些模型只能近似等于实际电路的响应（尽管通常希望这些模型都是精确无误的 ）。如果能以数学形式表示系统中尽可能多的部分，那么模型就更接近于实际响应。这是因为，数字不会随时间而改变，并且也可准确地和经松地处理它们。事实上，这种数字信号处理（DSP）的原则已经确立并得到广泛应用， DSP就是利用数学而不是电路对信号进行处理的。利用 DSP可以很容易地实现标准变换，比如通过滤波去除不想要的噪声或者通过频率映射来识别特定的信号分量。此外，利用DSP理论还能实现一些即使是最先进的电路也无法完成的处理。

正因为上述原因，如今的设计中都包含一级信号调理电路，它负责将模拟信号转换为数字量。这一步被称作模－数转换，或称A/D转换，也可简记为ADC, 这一步极为关键。因为一旦将传感器信号转换为数字量，那么就能通过微处理器中运行的软件来完成信息处理。通常所说的模—数转换器其实是一枚单片的半导体器件，它能够精确地、稳定地工作于变化的环境中。由于大多数环境补偿电路都可以集成到ADC器件中，而滤波处理则可由软件实现，因此，对信号调理电路的需求会显著减少。我们很快就会看到，出于系统的器件大大减少并且所有处理几乎都通过数学运算完成的，因此无论是从系统性能还是商业前景的角度来看，都是大有益处的。

第二步——增加一些智能

将传感器信号数字化之后，主要有两种途径来处理这些数据，以实现算法定义的功能。第一种是采用专用的数字硬件电路，通过硬件连线实现我们设计的算法， 另一种则是采用微处理器完成运算。一般来说，专用硬件比微处理器系统的速度更快，但是其成本较高并且缺乏灵活性。当不需要专用硬件那么高的运算速度时，由于微处理器适用的场合更广泛，因此具有更好的设计灵活性，并且可能成本更低。

一旦系统具有了智能，就能解决我们之前提出的问题。比如可以自动完成标定，也可以通过纯数学的处理算法消除器件漂移，甚至还能通过定期监控环境条件并自动进行适当的调整来补偿环境变化。可见，只要赋于系统一个大脑，就能使设计师的生活自在得多。

第三步——实现快速而可靠的通信

最后还剩下一个问题：如果能实现传感器数据共享，那么就可以很容易地扩大那些需要

互联网小常识：FTP服务器的选项包括服务器选项、域选项、组选项和用户选项。FTP服务器的域创建完成后需要添加用户才能被客户端访问。

共享传感器输出信号的系统的规模。这里再次强调，由于传感器的输出信号是数字的，因此能够可靠地实现共享。就像在人类的世界中共享信息后会使信息量增大一样，与本系统或者其他系统中的某个部件共享传感器测量值后也会使系统的总测量值变多。为了实现这个目标，我们必须装备带有标准通信接口的智能传感器，使它们能与其他部件交换信息。通过标准通信方式，我们就能保证尽可能广泛、简便和可靠地共享传感器输出信号，从而最大限度地发挥传感器及其产生的信息的作用。

第四步——将所有的东西连在一起，就得到一个智能传感器

这里要强调大多数工程师认为的智能传感器（有时也称作灵巧传感器）的三个必备特征。

互联网小常识：IPV6地址长度为128位，分为单播地址、组播地址、多播地址和特殊地址。如果某一段全为0则可以缩写为0，多个连续的0可以缩写为0：：0，但是在地址中只能出现一次。

(1) 含有用于测量一个或者多个物理量的敏感元件(本质上就是我们提到过的传统传感器)。

(2) 具有用于分析敏感元件所测结果的运算元件。

(3) 与外界相连的通信接口，它使传感器能在一个更大的系统中与其他部件交换信息。

其中，后两点是智能传感器与常见的常规传感器的主要区别（见图1)。智能传感器具有将数据直接转变为信息的能力，能在本地使用信息，还能将信息传输至系统中的其他部件。这些都是常见的常规传感器无法做到的。

本质上看，智能传感器使传感器世界"扁平化"， 它使得传感器能与附近的或者遍布全球的其他传感器相连，共同完成以前无法完成的任务。更为重要的是，由于智能传感器的大多数功能都由软件实现，因此设计师只需改变传感器的软件配置就能得到各种各样的产品。

这对智能传感器供应商造成两点重要影响。一个是供应商要从提供硬件产品转变为提供软件产品。尽管传感器仍然需要一个基本的硬件平台（毕竟它还是个物理设备 ），但是提高或争夺利润的主要因素已不再是硬件，而是控制智能传感器的软件。由于制造商只需稍改一点儿软件就能添减产品的功能，因此他们几乎可以即时地改变产品的搭配。那些定制的产品甚至可以直到完成最终测试和运输前才进行配置。此外，一种硬件平台可以用于不同市场。不同价格的多种产品。最后，一旦供应商开发出了新功能，那么无需增加产品的硬件成本就能使之具备新功能，从而使边际利润猛增。

另一个影响是，由于智能传感器能与外界相连，因此供应商如今可以在调试现场收集传感器的运行信息，并能在传感器出厂后更新设备的软件。传感器工作现场的信息不但能使传感器制造商准确掌握用户需求及其关注点，而且还能提供——对用户来说最为重要的——定位故障或缺陷的可靠数据（很可能就是用户将来最在意的东西 ）。掌握这些信息后，传感器制造商就能快速地为产品增加新功能、根据用户需求提供相应的配置并实施产品维护，而且在进行上述工作时都无需接触到传感器本身。如今，供应商可以足不出户地提供低成本的服务，这又给供应商带来了额外的价值和利益。

声明：本文内容出自Creed Huddleston【美】的《智能传感器设计》一书，张鼎等译，人民邮电出版社出版。此书对我的启发很大，在此分享给大家。

互联网小常识：将主机（A）资源记录手动添加到正向查找区域时，使用“创建相关的指针（PTR）记录”选项，可以将指针记录自动添加到反向查找区域中。

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