摘? 要: 從智能傳感器的發(fā)展歷史，對智能傳感器的內(nèi)涵進(jìn)行了定義。分析了智能傳感器的特點(diǎn)，指出與傳統(tǒng)傳感器及其所構(gòu)成的系統(tǒng)相比，智能傳感器及其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生了深刻變化。其未來發(fā)展方向是智能網(wǎng)絡(luò)化，與傳統(tǒng)的儀器儀表之間已經(jīng)沒有明顯的界限。文章最后分析指出智能傳感器的接口是傳感器智能網(wǎng)絡(luò)化的關(guān)鍵。標(biāo)準(zhǔn)IEEE1451的通過，將加速智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器的發(fā)展進(jìn)程。

　　關(guān)鍵詞: 智能傳感器? 網(wǎng)絡(luò)化? 系統(tǒng)

?

　　硅微電子技術(shù)的成熟使得在單個芯片中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微電子機(jī)械系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)，也給傳感器的微型化提供了基礎(chǔ)。同時采用IC技術(shù)將信號處理和控制電路集成到單個芯片中，大大提高了傳感器的性能并擴(kuò)展了傳感器的功能，即實(shí)現(xiàn)所謂的智能化。同過去IC技術(shù)給經(jīng)濟(jì)技術(shù)帶來的影響一樣，這種集成技術(shù)的應(yīng)用同樣給經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展帶來新的機(jī)遇。對于傳感器來說，不僅是簡單地改變了加工制造方法，同時對傳統(tǒng)的基于傳感器測量和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也帶來了深刻的影響。并且對傳感器本身的設(shè)計(jì)方法也帶來了變革，使得傳感器的設(shè)計(jì)和測量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及構(gòu)成變得簡單容易。與傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，更加可靠、便宜，并且擴(kuò)展性更好。很顯然，這些特性的實(shí)現(xiàn)主要得益于在傳感器內(nèi)部嵌入微處理芯片。與傳統(tǒng)的傳感器輸出模擬原始信號不同，這種傳感器可以在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)的加工處理。并可以通過標(biāo)準(zhǔn)的接口與外界實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)了傳感器的智能化。更為重要的是這種智能化傳感器可以根據(jù)實(shí)際的需要通過軟件控制來改變設(shè)計(jì)，給系統(tǒng)的擴(kuò)展帶來了很大的發(fā)展余地，減少了研發(fā)費(fèi)用。

　　從使用角度來說，傳感器的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性是主要的。過去的研究工作主要集中在硬件方面，研究內(nèi)容主要在探測機(jī)理、材料、制造工藝，以及傳感器的補(bǔ)償方法。通過外部電路來研究實(shí)現(xiàn)傳感器的校準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償，改善傳感器的漂移、線性和穩(wěn)定性等方面。因此總體來說傳統(tǒng)的傳感器設(shè)計(jì)要求經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師能夠根據(jù)實(shí)際的需要來完成。這給測量系統(tǒng)中所使用的傳感器數(shù)量帶來一定的限制。因?yàn)檫@種傳感器任何一個功能的擴(kuò)展在硬件上需要相應(yīng)的空間。多功能的傳感器系統(tǒng)受到空間的限制，且性能上同樣受到后續(xù)處理電路(濾波、調(diào)零、補(bǔ)償?shù)?制約?？傮w來說，這種硬件上的限制，使得單個系統(tǒng)中傳感器的使用數(shù)量有限，無法實(shí)現(xiàn)一些相關(guān)量的測量。為了保證系統(tǒng)的性能，需要增加更多的處理電路。比如說溫度補(bǔ)償，需要在傳感器的研制過程中經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)來保證，且其中的電路也只是專用的，無法將其直接移植應(yīng)用到其他的傳感器中去。增加了傳感器開發(fā)人員的工作，使得傳感器的價格昂貴。同樣的道理，這種專用的傳感器的使用，將使測量系統(tǒng)的功能很難擴(kuò)展。其維護(hù)和修理同樣需要專門的技術(shù)人員來完成，代價較高，無疑也增加了系統(tǒng)的維護(hù)成本。

　　基于半導(dǎo)體技術(shù)的傳感器將改變這種現(xiàn)狀，其所提供的價格便宜、使用方便的傳感器，特別是傳感器本身的智能化更加方便系統(tǒng)的集成。并使得在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的幫助下完成系統(tǒng)的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)相比，不同的應(yīng)用系統(tǒng)無須采用不同的傳感器。可以在單一的傳感器基礎(chǔ)上通過軟件設(shè)計(jì)來改變傳感器的功能，以滿足不同客戶的需求。這樣，低成本、大批量的智能傳感器可以快捷、低成本的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、維護(hù)或功能擴(kuò)展。從而改變過去傳感器僅僅應(yīng)用在工業(yè)、軍事及自動化控制等領(lǐng)域的情況。更加方便用戶的使用，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍?，F(xiàn)在溫度傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用到家用電器中，這僅僅是開始。隨著更多使用方便的傳感器投入市場，更多的關(guān)于家庭安全、報(bào)警、環(huán)境監(jiān)測等方面的傳感器將進(jìn)入普通家庭。

本文將根據(jù)智能傳感器的特點(diǎn)給出智能傳感器的設(shè)計(jì)方法，并將其與一般傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法相比較，分析其優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，指出智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器將是未來傳感器發(fā)展的必然方向，給出智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型和基于現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)、Internet網(wǎng)絡(luò)的測量控制系統(tǒng)模型。

1 什么是智能傳感器?

　　智能傳感器一詞是從國外首先提出，其英文名詞為“Smart Sensor”或“Intelligent Sensor”。自從這個概念提出以來，就有很多種不同的定義，爭論較大，理解的角度不同，看法相應(yīng)不一樣。但現(xiàn)在對這個問題基本上已經(jīng)達(dá)成了一定的共識。一般來說，智能傳感器是能夠?qū)崿F(xiàn)對傳感器的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，而并非僅僅是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。根據(jù)EDC(Electronic Development Corporation)的定義，智能傳感器應(yīng)具備如下的特征:

　　·可以根據(jù)輸入信號值進(jìn)行判斷和制定決策

　　·可以通過軟件控制作出多種的決定

　　·可以與外部進(jìn)行信息交換，有輸入輸出接口

　　·具有自檢測、自修正和自保護(hù)功能

　　毫無疑問，上面這些特征是智能傳感器應(yīng)具備的。從這些特征看來，其中有相當(dāng)一部分以前是屬于一個儀器所應(yīng)具有的功能，從這點(diǎn)看來，“儀器”和“傳感器”的界限已不是十分明顯。作者認(rèn)為，“智能傳感器”是一個動態(tài)的概念，就象“計(jì)算機(jī)”概念一樣。現(xiàn)在“計(jì)算機(jī)”這個名詞的含義早已不同與六十年代計(jì)算機(jī)剛剛出現(xiàn)時所包括的內(nèi)容，無論在功能上還是從特性上早已改變了當(dāng)初的意義?，F(xiàn)在，計(jì)算(calculate) 僅僅是其最簡單的一個部分，它可以實(shí)現(xiàn)信息交換、文字排版、輔助設(shè)計(jì)、控制等一系列的功能。隨著技術(shù)的進(jìn)步，其所包括的內(nèi)涵還將進(jìn)一步擴(kuò)展，這種內(nèi)涵的擴(kuò)展是基于兩個方面:硬件上的進(jìn)步和軟件設(shè)計(jì)上的發(fā)展?，F(xiàn)在如果說具有計(jì)算功能的機(jī)器都認(rèn)為是計(jì)算機(jī)，很顯然是不合理的。

　　上面所提到的定義和特征是現(xiàn)階段智能傳感器的基本特點(diǎn)。實(shí)際上，所謂的智能傳感器并非是簡單的單片機(jī)嵌入傳感器中將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，其實(shí)際所包括的內(nèi)容要廣泛得多。從智能傳感器的概念產(chǎn)生和發(fā)展歷史來看，其經(jīng)歷了一個內(nèi)涵不斷豐富的過程。即使是傳統(tǒng)意義上的智能傳感器也并不具備這種功能。正如上面所提到的，在80年代，將信號處理電路(濾波、放大、調(diào)零)與傳感器設(shè)計(jì)在一起，輸出0～5V電壓或4～20mA電流，這樣的傳感器即為當(dāng)時意義上的“智能傳感器”;在80年代末期到90年代中后期，隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將單片微處理器嵌入傳感器中實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償、修正、校準(zhǔn)，同時A/D變換器直接將原來的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這樣一來將“智能傳感器”所包含的含義推進(jìn)了一步。這種類型的傳感器在設(shè)計(jì)方法上已開始有所轉(zhuǎn)變，不再象以前是簡單的硬件構(gòu)成，需要通過軟件對信號進(jìn)行簡單處理，相應(yīng)輸出的信號是數(shù)字信號;自“現(xiàn)場總線”概念提出以后，基于現(xiàn)場總線的測量控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，相應(yīng)對傳感器的設(shè)計(jì)又提出了新的要求。從發(fā)展的角度看，未來單個傳感器獨(dú)立使用的場合將越來越少，更多的是多傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的測量和多對象的控制。測量和控制信息的交換在底層主要是通過現(xiàn)場總線來完成。數(shù)據(jù)交換主要是通過Intranet等網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。為了滿足這種多傳感器之間的信息交換，傳感器設(shè)計(jì)上軟件占主要的地位，通過軟件將傳感器內(nèi)部各個敏感單元或與外部的智能傳感器單元聯(lián)系在一起。軟件對象不再是以前的單個對象，而是整個系統(tǒng)，其輸出的數(shù)字信號是符合某種協(xié)議格式的。從而可以實(shí)現(xiàn)傳感器與傳感器之間、傳感器與執(zhí)行器之間、傳感器與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和共享。因此智能網(wǎng)絡(luò)化是傳感器的未來發(fā)展方向。

2 智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器及其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　從原理結(jié)構(gòu)上看來，智能傳感器結(jié)構(gòu)可以用圖1所示框圖來表示。

?

　　從上面的框圖可以發(fā)現(xiàn)，一般意義上的傳感器(即敏感單元)在智能傳感器中僅僅占很少的一部分，信號處理電路占主要部分。與普通傳感器相比，智能傳感器將傳感器使用過程中所涉及到的所有問題都包括了。例如圖1所示的靈敏度、零點(diǎn)漂移、標(biāo)定等，即使是單物理量測量傳感器，也必須有標(biāo)準(zhǔn)的接口獲取所需要的信息(如溫度、濕度等)以實(shí)現(xiàn)對被測物理量的標(biāo)定和校準(zhǔn)。在很多場合下，加上輸出顯示單元，這種單智能傳感器系統(tǒng)已經(jīng)涵蓋了傳統(tǒng)的儀表概念。

　　基于分布式智能傳感器的測量控制系統(tǒng)是由一定的網(wǎng)絡(luò)將各個控制節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)及中央控制單元共同構(gòu)成。其中傳感器節(jié)點(diǎn)是用來實(shí)現(xiàn)參數(shù)測量并將數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn);控制節(jié)點(diǎn)是根據(jù)需要從網(wǎng)絡(luò)中獲取所需要的數(shù)據(jù)并根據(jù)這些數(shù)據(jù)制訂相應(yīng)的控制方法和執(zhí)行控制輸出。在整個系統(tǒng)中，每個傳感器節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)是相互獨(dú)立且能夠自治?？刂乒?jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)目可多可少，根據(jù)要求而定。網(wǎng)絡(luò)的選擇可以是傳感器總線、現(xiàn)場總線，也可以是企業(yè)內(nèi)部的Ethernet，也可以直接是Internet。一個智能傳感器節(jié)點(diǎn)是由三部分構(gòu)成:傳統(tǒng)意義上的傳感器、網(wǎng)絡(luò)接口和處理單元。根據(jù)不同的要求，這三個部分可以是采用不同芯片共同組成合成式的，也可以是單片式的。首先傳感器將被測量物理量轉(zhuǎn)換為電信號，通過A/D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，經(jīng)過微處理器的數(shù)據(jù)處理(濾波、校準(zhǔn))后將結(jié)果傳送給網(wǎng)絡(luò)，與網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換有網(wǎng)絡(luò)接口模塊完成。

控制節(jié)點(diǎn)由微處理器、網(wǎng)絡(luò)接口及人機(jī)接口的輸入輸出設(shè)備組成。用來收集傳感器節(jié)點(diǎn)所發(fā)送來的信息，并反饋給用戶和輸出到執(zhí)行器，以實(shí)現(xiàn)一定的輸出。

　　將所有的傳感器連接在一個公共的網(wǎng)絡(luò)上。為保證所有的傳感器節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)即插即用，必須保證網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)能夠滿足共同的協(xié)議。無論是硬件還是軟件都必須滿足一定的要求，只要符合協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)點(diǎn)都能夠接入系統(tǒng)。因此為了保證這種即插即用的功能，智能傳感器的節(jié)點(diǎn)內(nèi)部必須包含微處理芯片和存儲器。一方面用來存儲傳感器的物理特征:偏移、靈敏度、校準(zhǔn)參數(shù)，甚至傳感器的廠家信息(維護(hù)等)，另一方面用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和補(bǔ)償，以及輸出校準(zhǔn)。由于這些功能的實(shí)現(xiàn)是在每個傳感器內(nèi)部完成，相應(yīng)的內(nèi)部參數(shù)在傳感器出廠的時候已經(jīng)寫入內(nèi)部寄存器中固定的單元，因此在更換和增加新的節(jié)點(diǎn)時候，無須對傳感器進(jìn)行標(biāo)定、校準(zhǔn)。

　　在很多的情況下，微處理器需要根據(jù)實(shí)際的需要對傳感器的輸入進(jìn)行處理和變換。

3 設(shè)計(jì)方法和智能傳感器的研究領(lǐng)域

　　智能傳感器系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是在傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號處理、網(wǎng)絡(luò)控制等技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，并隨這些技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，但不是這些技術(shù)的簡單合成。無論是微處理器還是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，都不是原來一般技術(shù)的簡單合成，下面針對網(wǎng)絡(luò)化傳感器系統(tǒng)所涉及的一些問題進(jìn)行分析。

　　首先，系統(tǒng)構(gòu)成。從計(jì)算機(jī)技術(shù)角度來看，一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所處理的數(shù)據(jù)是數(shù)字信號，且是直接通過外部設(shè)備輸入的，這些信號本身會受到外部設(shè)備限制。但是對于傳感器系統(tǒng)來說所面對的是與外界環(huán)境相關(guān)的模擬信號，信號與外界的一些物理量相關(guān)。這意味著信號的存在和信號的出現(xiàn)是受到環(huán)境限制的，為了滿足控制實(shí)時性的需要，信號的采樣必須保證實(shí)時性。

　　其次，信號處理方法。在網(wǎng)絡(luò)化使用環(huán)境中，即插即用是對網(wǎng)絡(luò)中的每個設(shè)備最基本的要求。但是由于每個被測物理量通過傳感器時輸入輸出的關(guān)系是不定的，有些是線性的，但更多的是非線性的，必須保證系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識別被測對象，一方面要能夠確定探測器信號的位置，另一方面要能夠確定傳感器輸入輸出之間的關(guān)系以及物理量(一般被測物理量和傳感器輸出物理量不一定一樣。例如電容式壓力傳感器輸入為壓力，輸出為電容)。這類似于傳統(tǒng)傳感器設(shè)計(jì)時涉及到的標(biāo)定問題，但是不完全一樣。因?yàn)橐话銈鞲衅髟O(shè)計(jì)中無須考慮輸入輸出物理量，僅僅只考慮它們之間的關(guān)系。

　　再次，需要考慮外部接口。從網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的應(yīng)用來說，其一般使用在自動化現(xiàn)場的測量控制級，相互之間需要通過現(xiàn)場總線連接在一起。對于不同的應(yīng)用場合，現(xiàn)在已經(jīng)有很多不同的總線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。要保證所設(shè)計(jì)的傳感器完全滿足這些協(xié)議比較困難，這就必須考慮接口問題。這是智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器與普通傳感器最大的區(qū)別。

　　最后，軟件工具的開發(fā)。由于過去傳感器完全是由硬件所組成，因此研究的對象主要局限在傳感機(jī)理、材料、結(jié)構(gòu)、工藝等物理方面。而智能傳感器的智能性則是在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件實(shí)現(xiàn)其價值的，軟件在智能傳感器中占據(jù)了主要的成分。而且智能化的程度是與軟件的開發(fā)水平成正比的，相信在不久的將來，基于計(jì)算機(jī)平臺完全通過軟件開發(fā)的虛擬傳感器會有十分廣泛的應(yīng)用。軟件開發(fā)工具包括設(shè)計(jì)、管理和通訊管理等不同方面。目前這類工具已經(jīng)開始出現(xiàn)，一般C，Labview，ActiveX等工具軟件都可以完成。軟件的功能主是與軟件的開發(fā)水平成正比的，用以實(shí)現(xiàn)傳感器模型建立、標(biāo)定參數(shù)建立、最佳標(biāo)定模型選擇等。

　　盡管智傳感器的構(gòu)成方法并非在所有的場合使用都是合理的，但是在許多的應(yīng)用中，其相對與傳統(tǒng)傳感器的優(yōu)點(diǎn)是無法抗拒的。在大多數(shù)情況下，智能傳感器價格便宜、使用方便、性能優(yōu)越、維護(hù)簡單、功能擴(kuò)展容易的優(yōu)點(diǎn)是傳統(tǒng)的傳感器所無法比擬的。特別是在一些應(yīng)用傳感器較多的場合，無疑智能傳感器將是最為合理的選擇。

　　目前來說，考慮到投資因素，由于在過程測量控制領(lǐng)域中系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命一般都有幾十年，盡管傳統(tǒng)所使用的測量控制主要是模擬量傳輸?shù)?，而符合現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的智能傳感器有很多優(yōu)點(diǎn)，但是更換這些傳感器執(zhí)行器需要花費(fèi)很多的時間和增加很大的投資，這種系統(tǒng)還會存在相當(dāng)長的一段時間。過去這類系統(tǒng)功能的擴(kuò)展比較困難，因此多種系統(tǒng)共存的局面將維持一段時間。近兩年IEEE1451.4標(biāo)準(zhǔn)工作組已經(jīng)開始著手進(jìn)行智能傳感器與網(wǎng)絡(luò)之間的模擬傳輸接口標(biāo)準(zhǔn)。其主要是針對傳統(tǒng)以模擬量傳輸為基礎(chǔ)的系統(tǒng)而制訂的一種與網(wǎng)絡(luò)之間接口標(biāo)準(zhǔn)。如果標(biāo)準(zhǔn)得到通過，并有相應(yīng)的硬件支持，對于這些系統(tǒng)來說，其系統(tǒng)功能的擴(kuò)展將變得更加簡單。

?

參考文獻(xiàn)

1? J. E. Brignell， The future of intelligent sensors：a problem of technology or ethics. Sensor and Actuator?A56(1996)P11～15

2 吳仲城，戈 瑜，虞承端，方廷健.網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器/執(zhí)行器的設(shè)計(jì)及接口標(biāo)準(zhǔn)，IEEE1451.2，儀表技術(shù)與傳

? 感器.2000年第7期，P1～P3

3 吳仲城，戈 瑜，虞承端，方廷健.嵌入式智能離子火災(zāi)探測器的設(shè)計(jì).傳感器技術(shù)，2000年第2期，P20～22

4 吳仲城，虞承端.嵌入式智能化傳感器的設(shè)計(jì).電子技術(shù)應(yīng)用，2000，(3)，Vol.，P11～P16

5 吳仲城，戈 瑜，虞承端，方廷健.智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器的即插即用設(shè)計(jì)，自動化博覽.2000，(1)