1、12 智能式傳感器智能式傳感器 0755-智能式傳感器的設計智能式傳感器的設計1.2第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器概概 述述12.112.2傳感器的智能化實例傳感器的智能化實例12.3智能傳感器智能傳感器12.4智能結構智能結構12.50755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器1212.1.1 .1.1 智能式傳感器的概念與形式智能式傳感器的概念與形式 20世紀80年代中期以來，隨著微處理器技術的迅猛發展并與傳感器的密切結合，使傳感器不僅具有傳統的檢測功能，而且具有存儲、判斷和信息處理的功能。由微處理器和傳感器相結合構成的新穎傳感器，即智能式傳感器（Smart Sensor）。所

2、謂智能式傳感器就是一種以微處理器為核心單元的，具有檢測、判斷和信息處理等功能的傳感器。第一節第一節 概述概述0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器智能式傳感器包括傳感器的智能化和智能傳感器兩種主要形式。前者是采用微處理器或微型計算機系統來擴展和提高傳統傳感器的功能，傳感器與微處理器可為兩個分立的功能單元，傳感器的輸出信號經放大調理和轉換后由接口送人微處理器進行處理。后者是借助于半導體技術將傳感器部分與信號放大調理電路、接口電路和微處理器等制作在同一塊芯片上，即形成大規模集成電路的智能傳感器。智能傳感器具有多功能、一體化、集成度高。體積小、適宜大批量生產、使用方便等優點，它是傳感器發展

3、的必然趨勢，它的發展將取決于半導體集成化工藝水平的進步與提高。然而，目前廣泛使用的智能式傳感器，主要是通過傳感器的智能化來實現的0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器近幾年來，人們提出了智能結構的概念，也就是將傳感元件、致動元件以及微處理器集成于基底材料中，使材料或結構具有自感知、自診斷、自適應的智能能力。智能結構涉及到傳感技術、控制技術、人工智能、信息處理和材料學等多種學科與技術，是當今國內外競相研究開發的跨世紀前沿科技。對此，本章將作簡要介紹。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器1212.1.2 .1.2 智能式傳感器的構成與特點智能式傳感器的構成與特點 從構成上看，

4、智能式傳感器是一個典型的以微處理器為核心的計算機檢測系統。它一般由圖121所示的幾個部分構成： 同一般傳感器相比，智能式傳感器有以下幾個顯著特點： （1）精度高 由于智能式傳感器具有信息處理的功能，因此通過軟件不僅可以修正各種確定性系統誤差（如傳感器輸人輸出的非線性誤差、溫度誤差、零點誤差、正反行程誤差等），而且還可以適當地補償隨機誤差，降低噪聲，從而使傳感器的精度大大提高。 （2）穩定、可靠性好 它具有自診斷、自校準和數據存儲功能，對于智能結構系統還有自適應功能。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 （3）檢測與處理方便 它不僅具有一定的可編程自動化能力可根據檢測對象或條件的改變

5、，方便地改變量程及輸出數據的形式等，而且輸出數據可通過串行或并行通訊線直接送 人遠地計算機進行處理。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 （4）功能廣 不僅可以實現多傳感器多參數綜合測量，擴大測量與使用范圍。而且可以有多種形式輸出（如RS232串行輸出，PIO并行輸出，IEEE488總線輸出以及經DA轉換后的模擬量輸出等）。 （5）性能價格比高 在相同精度條件下，多功能智能式傳感器與單一功能的普通傳感器相比，其性能價格比高，尤其是在采用比較便宜的單片機后更為明顯。 0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 本節所介紹的智能式傳感器的設計，主要從系統的角度考慮硬件和軟件的設計

6、，至于傳感器本體的設計此處不作介紹。1212.2.1 .2.1 硬件設計硬件設計1微處理器系統的設計 微處理器系統主要由中央處理器CPU、存儲器（ROM、RAM）、總線結構（地址總線、數據總線和控制總線）、輸人輸出口（串行口和并行口）等組成。第二節第二節 智能式傳感器的設計智能式傳感器的設計0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 微處理器系統是智能式傳感器的核心，它的性能對整個傳感器的調理電路、接口設計等都有很大的影響。目前可供選用的微處理器系統有以8080 CPU為核心的微處理器系統和MCS51系列、MCS96系列等單片微處理器系統。微處理器的選擇主要根據以下幾點來確定。 （1）任

7、務 在智能式傳感器中，微處理器是用于數據處理還是僅僅起控制作用。例如MCS51系列單片機的指令系統比較豐富，具有較強的數據處理能力，而 Intel 8080及MCS48系列單片機的指令系統具有類似控制機的特點。 （2）字長 字長較長，就能處理較寬范圍內的算術值。因此4位字長的微處理器一般都用于控制，8位字長的既可用于數據處理，也可用于控制，而16位字長的微處理器幾乎都用于數據處理。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 （3）處理速度 它取決于三個基本的技術要求：時鐘速率，執行給定指令所要求的機器周期數，以及指令系統。微處理器的指令系統應該面向所要處理的問題，如果傳感器用于動態測試，

8、則微處理器的處理速度不能低于傳感器的動態范圍，如果是用于靜態測試，則微處理器的處理速度可降低要求。 （4）功耗 在智能式傳感器設計中，功耗也是一個值得注意的問題。功耗受器件工藝。復雜性、時鐘速率等因素支配。字長較長的微處理器的功耗較大，NMOS和PMOS器件的功耗較少，CMOS器件的功耗最少。 此外，軟硬件設計人員對該型微處理器的熟悉程度，也是選型時的一個重要考慮因素。 0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器2信號調理電路的設計 多數傳感器輸出的模擬電壓在毫伏或微伏數量級，而且變化較為緩慢。然而信號所處的環境往往是比較惡劣的，干擾和噪聲較大。信號調理電路的作用，一方面是將微弱的低電平

9、信號放大到模數轉換器所要求的信號電平，如 05 V或 010 V范圍，另一方面是抑制干擾、降低噪聲，保證信號檢測的精度。因此，信號調理電路主要包括低通濾波器和性能指標較好的電壓放大器。 在放大器的輸人端加一個濾波器，能夠有效地降低常模干擾，它有無源濾波器和有源濾波器之分。在智能式傳感器的調理電路設計中，通常采用簡便、廉價的單級或多級RC濾波器，有時也采用有源濾波器。有源濾波器具有體積小、重量輕，輸人阻抗高而輸出阻抗低的優點，但需提供正負電源，成本較高。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 信號調理電路中的放大器，除了電壓放大外，還可以完成阻抗變換，電平轉換，電流/電壓轉換，以及隔離

10、的功能。由于大多數來自傳感器的信號可能很小，甚至很微弱，這就要求放大器要滿足低失調。低漂移、抗共模干擾能力強等指標。通常采用的有測量放大器、程控測量放大器、隔離放大器。 測量放大器也稱儀用放大器，它具有高的輸人阻抗，較低的失調電莊和溫度漂移系數，高的共模抑制比，穩定的增益以及低的輸出阻抗。目前常見的測量放大器有美國AD公司生產的AD612、AD6l4、AD521、AD522等。 0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 程控測量放大器是信號調理電路中較常使用的一種放大倍數可調的測量放大器。在智能式傳感器中，由于傳感器可能有多個，而且即使是同一個傳感器，在不同的使甩條件下角出信號的電平變

11、化范圍也會有較大的差異。由于A/D用轉換器的輸人電壓通常為05V或010 V，若上述傳感器的輸出電壓直接作為 A/D轉換器的輸人電壓，就不能充分利用A/D轉換器的有效位，影響測量范圍和測量精度。 因此，必須根據輸人信號電平周大小。改變測量放大器的增益，使各輸人通道均用最佳增益進行放大。程控測量放大器（PGA）就是一種新型的可編程控制增益測量放大器，它的通用性很強，其特點是硬件設備少。放大倍數可根賠要通過編程進行控制使A/D轉換器滿量程信號達到均一化。 0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器圖122為程控測量放大器電路原理圖，其中增益選擇開關S1S1，S2S2，S3S3，成對動作，每一

12、時刻僅有一對開關閉合。當改變數字量輸人編碼，則可改變閉會樹開關號，選擇不同的反饋電阻，達到改變放大器增益的目的。目前常用的程控測量達木器為美國AD公司生產的LH0084PGA芯片。 隔離放大器又稱隔離器，其輸人電路、輸出電路和電源之間沒有直接的電路耦合，信號的傳遞與電源電能的傳遞均通過磁路或光路實現。它不僅具有通用運算放大器的性能，而且輸人公共地和輸出公共地之間有良好的絕緣性能。它可以有效地消除共模干擾的影響生保證測量系統的安全。目前常用的隔離放大器有美國AD公司生產的Model277和Model288等。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 3A/D、D/A的設計 前面各章所介紹

13、的傳感器，如溫度、壓力、流量、電感、電阻等，它們的輸出量均為模擬量（電壓或電流）。然而微處理器只能接收數字量，因此在智能式傳感器中，傳感器和微處理器之間要通過模數轉換器。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 它的功能是將輸人的模擬電壓信號成比例地轉化為二進制數字信號。當需要傳感器的輸出起控制作用時，數模轉換器又將微處理器處理后的數字量轉換為相應的模擬量信號。因此A/D和D/A轉換器是智能式傳感器不可缺少的重要環節。這里我們不講述它們的工作原理，只介紹A/D和D/A的選擇及接口電路的設計。(1)A/D轉換器 常用的A/D轉換器主要有三種：雙積分式、逐次逼近式、并行比較式。 0755-

14、第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器（此外電壓頻率轉換器（VFC）也可以認為是雙積分式AAI轉換器的一種變型。它利用電荷平衡的原理對輸人模擬電壓進行跟蹤，在一定的時間內產生與輸人電壓成正比的一串輸出脈沖，直接對其輸出進行記數就可得到數字量。VFC適用于輸人動態范圍高達數十分貝或需要遠距離傳輸的場合。 了解A/D轉換器的外部特性是正確選擇A/D轉換器的前提。A/D轉換器的外部特性主要是：模擬信號的輸人方式，數字量輸出方式，啟動轉換的外部控制信號，轉換結束后所發出的轉換結束信號。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器在選擇A/D轉換器時，除需要滿足用戶的各種技術要求外，主要考慮以下性能

15、指標：分辨率 它是指輸出數字量對輸人模擬量變化的分辨能力，分辨率D取決于A/D轉換器的位數n，即：D=1/（2n1）。其中n越大，轉換精度越高，但成本也會隨之增加。目前常用的ADC芯片多為8位、10位、12位。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器轉換時間與轉換頻率 設A/D轉換器已處于準備就緒狀態，從A/D轉換器的啟動信號加人時起，到獲得與輸人信號對應的輸出信號為止，所需的時間稱為A/D轉換器的轉換時間。轉換頻率與轉換時間成反比，但是對于A/D轉換器的最大可能的轉換頻率，除了前述的轉換時間外，還包括復位信號將A/D轉換器全部恢復到零的時間。A/D轉換器的轉換時間或最高工作頻率，一般

16、與A/D轉換器的位數、輸出形式以及輸人信號的大小有關。逐次逼近式ANM換器的轉換時間與位數有關，與輸人信號大小無關；而雙積分式A/D轉換器的轉換時間隨輸人信號的幅值而異。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器穩定性和抗干擾能力 在同樣分辨率下，雙積分式A/D轉換器的線性和穩定性高，抗干擾能力強，價格低，但轉換時間長。VFC的轉換速度不高，但其電路簡單，只需單根傳輸線，適于遠距離傳輸。并行比較式A/D轉換器的轉換速度高，但精度差，成本較高。逐次逼近式A/D轉換器既有較高的轉換精度，又有較高的速度，因此是目前最常用的一種。 目前市場上大多數的集成A/D轉換器芯片為逐次逼近式和雙積分式。常

17、見的逐次逼近式A/D轉換器芯片有：8位的ADC0801，ADC0809，10位的AD570，AD571，12位的ADC80等；常見的雙積分式A/D轉換器芯片有：3（1/2）位的5G14433，4（1/2）位的5G7135和5（1/2）位的AD755等。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器（2）D/A轉換器 D/A轉換器的功能是將幾位輸人的數字量轉換成對應的模擬量，其輸出有模擬電壓和模擬電流兩種形式，如DAC 0832、AD 7522是電流輸出形式。有的DAC芯片內部設有放大器、可直接輸出電壓信號，如AD588、AD7224等。電壓輸出有單極性和雙極性輸出兩種方式。D/A轉換器接接收

18、位數來分有8位、10位和12位等。在選擇使用D/A轉換器中，主要應考慮以下性能指標： 分辨率 D/A轉換器的分辨率是指輸出模擬量對輸人數字量變化的分辨能力，分辨率 D取決于D/A轉換器的位數n，即：D1（2n1）。 0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器轉換時間 輸人數字代碼產生滿度值的變化時，其模擬輸出達到最終值的LSB/2內所需的時間。輸出形式是電流時，其轉換時間是很快的，一般為50500ns；輸出形式是電壓時，轉換器的主要建立時間是運算放大器輸出所需的時間，約為110 s。精度 D/A轉換器的精度有絕對精度和相對精度兩種。在選擇D/A轉換器時，一般主要考慮絕對精度，這是指DA轉

19、換器輸出信號的實際值與理論值的誤差，它包括非線性。零點、增益、溫度漂移等項誤差。 0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器（3）ADC、DAC與微處理器接口 ADC在每一次轉換結束后，需要通過接口將轉換結果輸人到做人理器中，微處理器的數據輸出通常也需要通過DAC進行數模轉換后輸出模擬量信號，因此接口的設計是智能式傳感器設計重要的一環。鑒于微處理器的接口技術已成為一門重要的專業課程，本章不再作介紹，感興趣者可參考這方面的書籍。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器1212.2.2.2 2 軟件設計軟件設計 智能式傳感器除了已經介紹的各種硬件組成之外，還有一個起支配地位并十分重要

20、的軟件部分。軟件是智能式傳感器的靈魂和大腦，軟件設計的好壞直接影響到智能式傳感器的功能及硬件作用的發揮。 智能式傳感器的軟件分為系統軟件和應用軟件兩種。所謂系統軟件就是管理微處理器本身的程序，如操作系統、自檢及監控系統等，一般由微處理器廠家提供。而應用軟件則是面向用戶的程序，由設計人員根據智能式傳感器的實際需要進行編制。智能式傳感器的軟件設計的主要任務就是設計應用程序。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 1軟件設計思想 常用的軟件設計思想有三種：模塊化程序設計、自頂向下程序設計、結構化程序設計。 （1）模塊化程序設計 把一個復雜的軟件，分解為若干個程序段，這段程序完成單一的功能，

21、并且具有一定的相對獨立性，稱之為“模塊”，這種設計思想稱之為模塊化程序設計。智能式傳感器的軟件設計可按功能分塊，如數據采集功能、數據運算功能、邏輯判斷功能、故障報警功能等。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器在劃分模塊時，應注意以下幾個方面：一、每個模塊不宜太長，太長就失去了模塊程序設計的優點，但也不要太短，通常2050行的程序段較合適；二、力求使模塊之間互相獨立，盡量限制模塊之間的信息交換，以利于模塊的調試；三、盡量利用已有的成熟的程序模塊，如加、減、乘、除、開方、標準函數、延時程序、顯示程序等。模塊化程序設計的優點是程序容易編寫、查錯和調試，也容易理解。缺點是有些程序難于模塊化

22、及有些模塊需要調用其他模塊，使模塊之間互有影響。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 （2）由頂向下程序設計 由頂向下程序設計，又稱為構造性編程，實質上是一種逐步求精的方法，也稱為系統性編程或分層設計。由頂向下的思想就是把整個問題劃分為若干個大問題，每個大問題又分為若干個小問題，這樣一層層地劃下去，直到最底層的每個任務都能單獨處理為止。這是程序設計的一種規范化形式。在由頂向下程序設計過程中，對于每一個程序模塊，應明確規范其輸人、功能和輸出。 （3）結構化程序設計 如何使各個模塊截然分開，防止它們相互作用呢？如何編寫一個層次分明的程序，便于調試和修改錯誤呢？這就需要采用結構化程序設計

23、的思想。 0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 結構化程序設計思想，給程序設計施加了一定的約束，它限定必須采用規定的基本結構和操作順序。任何程序由層次分明、易于調試的若干個基本結構組成。這些基本結構的共同特點是在結構上信息流只有一個人口和一個出口。基本結構有下面三種： 順序結構 順序結構的框圖如圖123（a）所示。在這種結構中，程序按順序連續地執行，即先執行P1，然后執行P2，最后執行P3。其中，P1、P2、P3可以是一條簡單的指令，也可以是一段完整的程序，它們都只有一個人口和一個出口。 條件結構 條件結構的框圖如圖123（b）所示。盡管判斷部分（即校形框）可以有多個出口，但是整個

24、條件結構最終也只有一個人口和一個出口。 0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 循環結構 循環結構的框圖如圖123（c）所示。該結構能多次執行同一循環程序P，信息流從單一人口進人此結構后，一直停留在此結構中，直至終止條件滿足，才從單二出口退出此結構。 0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器2數據處理算法 在智能式傳感器中，軟件的最主要功能是完成數據處理任務。數據的涵義是十分廣泛的，智能式傳感器的數據主要是指輸人非電量。輸出電量、誤差量、特征表格等。數據處理的功能主要包括以下幾個部分：算術和邏輯運算調檢索與分類；非線性特性的校正修誤差的自動校準及自診斷；數字濾波等。其中算術與

25、邏輯運算是微處理器最基本的功能，在微處理器手冊中都有詳細介紹，因此，本書只對后4種功能進行介紹。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器（1）檢索與分類 在智能式傳感器設計中，為了提高傳感器的精度，常常需要將傳感器在部分或全部量程范圍內的輸人、輸出數據以表格的形式儲存在ROM或EPROM中，這時就需要查表算法。檢索與分類就是實現查表的算法。 所謂檢索就是查明某一給定數據（常稱為關鍵字）是否存在于表格之中，若存在，則進一步查明其具體位置。線性檢索是一種最基本、最簡單的檢索方法，它是從表格的第一個單元開始，逐個取出表格存儲單元的內容與關鍵字相比較，直到找到兩者相同為止；或者當表格中不存在該

26、關鍵字時，則一直查找到表格的末端才結束。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 線性檢索的程序流程圖如圖124所示。該程序以BC寄存器記錄表格單元的總數，以HL寄存器作表格地址指針。若檢索成功屈u將找到元素的表地址送人HL，并將該元素的序號送人累加器A。若未找到與關鍵字內容相同的單元，則將標志FFH送人累加器。線性檢索法的優點是程序簡單并且對有序表和無序表均適用。缺點是檢索比較次數太多，檢索時間長。因此，線性檢索一般適用于表格元素較少的情況。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器（2）非線性特性的校正 許多傳感器的輸出信號與被

27、測參數間存在明顯的非線性，為提高智能式傳感器的測量精度，必須對非線性特性進行校正，使之線性化。線性化的關鍵是找出校正函數，但有時校正函數很難求得，這時可用多項式函數進行擬合或分段線性化處理。 校正函數 假設傳感器的輸出為y，輸入為x，yf（x）存在非線性，現計算下列函數 (121)0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器使R與x之間保持線性關系，函數g（y）便是校正函數。 例如，半導體二極管檢波器的輸出電壓uo與被測輸人電壓ui成指數關系 （122） 式中a為常數。為了得到線性結果，微處理器必須對數字化后的輸出電壓進行一次對數運算：Rlnuoui，使R與ui間存在線性關系。 曲線擬合法

28、校正 曲線擬合的理論表明：某些自變量x與因變量y之間的單值非線性關系，可以用自變量x的高次多項式來逼近，即0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 （123） 其中a0，a1，a2，an是待求的擬合系數。通常用最小二乘法來求以上系數，也就是使殘差平方和 為最小值，其中i為第i個實際數據與擬合曲線上相應值之間的殘差，由此可得出曲線擬合的經驗公式： 20nii0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器式中：只要求解出上述由n1個方程構成的方程組，就可得到擬合多項式的系數a0，a1，a2，an。 （12124 4）0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器分段線性化與線性插值 對

29、于一個已知函數yf（x）的曲線，可按一定的要求將它分成若干小段，每個分段曲線用其端點連成的直線段來代替，這樣就可在分段范圍內用直線方程來代替曲線，從而簡化計算。對每一個分段，如（xi，xi1），直線與實際曲線上的點只是在兩個端點上是重合的；對于xi1xxi的一切點，它們的值都不是曲線上的真實值，而是根據下面的直線方程計算得到的，所以稱這種方法為線性插值。 （125） 或簡化為 （126） 其中ki（yi1yi）/（xi1xi）為第i段直線的斜率；（x0，y0），（x1，y1），（xn，yn）為曲線上各分段點的自變量和函數值。 0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 由式（126）可知

30、，ki，xi，yi都是按函數特性預先確定的值，可作為已知常數存于微處理器的指定存儲區。若要計算與某一輸人X相對應的y值，須首先按工值檢索其所屬的區段，從常數表查得該區段的三個常數ki，xi，yi，從而可計算得式（126）所對應的輸出y。 該方法是查表與計算的有效結合。這里，分段點的選取是一個重要問題；分段數越多，則逼近精度越高，但同時所占計算機內存單元也越多，此外，還會大大增加在分段常數準備及存儲方面的工作量。因此，應該根據傳感器的精度要求合理地選取分段點。一般來說，分段可以是不等距的，曲率半徑小的段落分段可密一些，曲率半徑大的段落分段可稀疏一些。 （3）誤差的自動校準及自診斷0755-第第1

31、2章章 智能式傳感器智能式傳感器 借助微處理器的計算能力，可自動校準由零點電壓偏移和漂移、各種電路的增益誤差及器件參數的不穩定等引起的誤差從而提高傳感器的精度，簡化硬件并降低對精密元件的要求。自動校準的基本思想是儀器在開機后或每隔一定時間自動測量基準參數，如數字電壓表中的基準電壓或地電位等，然后計算誤差模型，獲得并存儲誤差因子。在正式測量時，根據測量結果和誤差因子，計算校準方程，從而消除誤差。 自診斷程序步驟一般可以有兩種：一種是設立獨立的“自檢”功能，在操作人員按下“自檢”按鍵時，系統將按照事先設計的程序，完成一個循環的自檢，并從顯示器上觀察自檢結果是否正確；另一種可以在每次測量之前插入一段

32、自檢程序，若程序不能往下執行而停在自檢階段，則說明系統有故障。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器（4）數字濾波 所謂數字濾波，就是通過一定的計算程序降低干擾在有用信號中的比重。與模擬濾波器相比，數字濾波的優點在于：通過改變程序，就可方便靈活地調整參數；可以對極低頻率的信號（如0.01Hz）實現濾波；不需要增加硬件設備，各通道可選用同一數字濾波程序。對于簡單的數字濾波器設計可采用基于算術平均值法的平滑濾波器和一階數字濾波器等；對于比較復雜的濾波器可采用模擬化設計方法。 模擬化設計法以模擬濾波器理論為基礎。從模擬濾波器理論知道，無論是低通濾波器還是高通濾波器，都可以分為幾種不同類型，

33、如巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器、貝塞爾濾波器等。同樣都是低通濾波器，巴特沃斯低通濾波器的通帶特性最平、切比雪夫低通濾波器高頻段衰減最快、貝塞爾低通濾波器則具有線性相移特性。濾波器類型不同，要求的傳遞函數的系數也不相同。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器（127）其中G，b0，b1，bn1為待定系數。高通濾波器的傳遞函數為：（128）其中G，a0，a1，an1為待定系數。帶通濾波器的傳遞函數為： （129） 低通濾波器的傳遞函數為：低通濾波器的傳遞函數為：0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器其中 ，G，b0，b1，bn1為待定系數，0為通帶中心角頻率，Bs為帶寬。 根

34、據模擬化設計法，數字濾波器的設計步驟如下 根據要求的濾波器性質（低通、高通、帶通等），決定濾波器的傳遞函數形式。 根據要求的濾波器特性（通帶特性。截止頻率、通帶外的衰減速度、相移特性等），選取濾波器類型、階次并決定相應的傳遞函數的系數。 將所得到的濾波器的模擬傳遞函數離散化，得到相應的差分方程。 根據差分方程編寫數字濾波程序。220sspB0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 智能式應力傳感器用于測量飛機機翼上各個關鍵部位的應力大小，并判斷機翼的工作狀態是否正常以及故障情況。如圖126所示，它共有6路應力傳感器和二路溫度傳感器，其中每一路應力傳感器由4個應變片構成的全橋電路和前級放

35、大器組成，用于測量應力的大小。溫度傳感器用于測量環境的溫度從而對應力傳感器進行溫度誤差修正。采用8031單片機作為數據處理和控制單元。多路開關根據單片機發出的命令輪流選通各個傳感器通道，0通道為溫度傳感器通道，16通道分別為6個應力傳感器通道。程控放大器則在單片機的命令下分別選擇不同的放大倍數對各路信號進行放大。第三節第三節 傳感器的智能化實例傳感器的智能化實例0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 智能式應力傳感器具有測量、程控放大、轉換、處理、模擬量輸出、打印、鍵盤監控以及通過串行口與上位微型計算機進行通訊的功能。其軟件采用模塊化和結構化的設計方法，軟件結構如圖127所示。主程序

36、模塊主要完成自檢、初始化。通道選擇、以及各個功能模0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器塊調用的功能。其中信號采集模塊主要完成各路信號的放大、A/D轉換和數據讀取的功能。數據處理模塊主要完成數據濾波、非線性補償、信號處理、誤差修正以及檢索查表等功能。故障診斷模塊的任務是對各個應力傳感器的信號進行分析，判斷飛機機翼的工作狀態以及是否有損傷或故障存在。鍵盤輸人及顯示模塊 0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 的任務一是查詢是否有鍵按下，若有鍵按下則反饋給主程序模塊，從而主程序模塊根據鍵義執行或調用相應的功能模塊，二是顯示各路傳感器的數據和工作狀態（包括按鍵信息）。輸出及打印模

37、塊主要是控制模擬量輸出以及控制打印機完成打印任務。通訊模塊主要控制RS232串行通訊口和上位微機的通訊。圖128為信號采集模塊的程序流程圖。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器1212.4.1 .4.1 智能傳感器的概述智能傳感器的概述 智能傳感器英文名稱為 Intelligent Sensor或 Smart Sensor。智能傳感器是“電五官”與“微電腦”的有機結合，對外界信息具有檢測。邏輯判斷、自行診斷、數據處理和自適應能力的集成一體化多功能傳感器。這種傳感器還具有與主機互相對話的功能，也可以自行選擇最佳方案。它還能將已取得的大量數據進行分割處理，實現遠距離、高速度、高精度的傳

38、輸。第四節第四節 智能傳感器智能傳感器0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器1212.4.2 .4.2 智能傳感器的典型簡介智能傳感器的典型簡介 目前已投人使用的微電腦型智能傳感器，主要有多路光譜分析傳感器。這種傳感器采用硅CCD（電荷耦合器件）二元陣列作攝像儀，結合光學系統和微處理器共同構成一個不可分割的整體，其結構如圖129所示。它可以裝在人造衛星上對地面進行多路光譜分析。測量獲得的數據直接由CPU進行分析和統計處理，然后輸送出有關地質、氣象等各種情報。 0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器以硅為基礎的超大規模集成電路技術正在加速發展并日臻成熟，三維集成電路已成為現實

39、。目前日本已開發出三維多功能的單片智能傳感器，它已將平面集成發展為三維集成，實現了多層結構，如圖1210所示。它將傳感功能、邏輯功能和記憶功能等集成在一塊半導體芯片上，反映了智能式傳感器的發展方向。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器1212.5.1 .5.1 智能結構的概念和作用智能結構的概念和作用 近幾年來，智能傳感技術與智能致動技術以及敏感材料本身越來越結合成為一個整體，形成了當前傳感技術領域和材料領域的一個新熱點，這就是智能結構技術。 智能結構（Smart Structure）又稱智能材料結構。這一概念最早源于這樣的思想：讓材料本身就具有自感知、自診斷、自適應的智能功能，即

40、材料本身就是一個智能式傳感器，無需再為測量材料的各種物理量而外接大量傳感器。第五節第五節 智能結構智能結構0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器 智能結構可如下定義：將具有仿生命功能的敏感材料或傳感器、致動器以及微處理器以某種方式集成于基體材料中，使制成的整體材料構件具有自感知、自診斷、自適應的智能功能。圖1211為一種典型的智能結構，它把傳感元件、致動元件以及信息處理和控制系統集成于基體材料中，使制成的構件不僅具有承受載荷、傳遞運動的能力，而且具有檢測多種參數的能力（如應力、應變、損傷、溫度、壓力等），并在此基礎上具有自適應動作能力從而改變結構內部應力、應變分布、結構外形和位置，或

41、控制和改變結構的特性，如結構阻尼、固有頻率、光學特性、電磁場分布等。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器智能結構一般可分成兩種類型，即嵌人型和本征型。前者是在基體材料中嵌人具有傳感、致動和控制處理功能的三種原始材料或元件，利用傳感元件采集和檢測結構本身或外界環境的信息，控制處理器則控制致動元件執行相應的動作；后者指材料本身就具有智能功能，能夠隨著環境和時間改變自己的性能，例如自濾波玻璃等。0755-第第12章章 智能式傳感器智能式傳感器1212.5.2 .5.2 智能結構的組成智能結構的組成 智能結構由三個功能單元組成：傳感器單元、致動器單元、信息處理及控制單元。智能結構的最高級形式，不僅具有集成的傳感元件和致動元件，而且實現信息處理和控制功能的微處理器和信號傳輸線以及電源等都集成在同一母體結構中。 1傳感器單元傳感器單元 傳感器單元的作用是感受結構狀態（如應變、位移）的變化，并將這些物理量轉換為電信號，以便處理和傳輸，它是智能結構的重要組成部