智能傳感技術(shù)第一頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日

第十四章智能傳感技術(shù)1智能傳感器概述2智能傳感器的關(guān)鍵技術(shù)3智能傳感器系統(tǒng)的總線標(biāo)準(zhǔn)4智能傳感技術(shù)新發(fā)展第二頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日

傳統(tǒng)傳感器是指：能感受規(guī)定的被測(cè)量，定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換器件組成。

智能傳感器定義為：集成有傳感器，帶有微處理器，具有信息監(jiān)測(cè)與處理功能的器件或裝置叫智能傳感器。智能傳感器是由傳統(tǒng)的傳感器和微處理器(或微計(jì)算機(jī))相結(jié)合而構(gòu)成的．它充分利用微處理器的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理．并能對(duì)它的內(nèi)部行為進(jìn)行調(diào)節(jié)．使采集的數(shù)據(jù)最佳。知識(shí)點(diǎn)1什么是智能傳感器第三頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日

微處理器是智能傳感器的核心，它不但可以對(duì)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理，還可以通過反饋回路對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于微處理器充分發(fā)揮各種軟件的功能，可以完成硬件難以完成的任務(wù)，從而大大降低了傳感器制造的難度，提高傳感器的性能，降低成本。第四頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日智能傳感器比傳統(tǒng)傳感器在功能上有極大提高，幾乎包括儀器儀表的全部功能，主要表現(xiàn)在：⑴邏輯判斷、統(tǒng)計(jì)處理功能⑵自檢、自診斷和自校準(zhǔn)功能⑶軟件組態(tài)功能⑷雙向通信和標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字輸出的功能⑸人機(jī)對(duì)話功能⑹信息存儲(chǔ)與記憶功能這些功能決定了智能傳感器具有高的準(zhǔn)確性、靈活性、可靠性以及性價(jià)比。知識(shí)點(diǎn)2智能傳感器的基本功能第五頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日

智能傳感器具有通過軟件對(duì)前端傳感器進(jìn)行非線性的自動(dòng)校正功能，即能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器輸入-輸出的線性化。智能傳感器線性化校正原理框圖

智能傳感器輸入-輸出特性線性化原理知識(shí)點(diǎn)3如何處理非線性問題第六頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日非線性自動(dòng)校正方法主要有查表法、曲線擬合法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法三種1.查表法

查表法是一種分段線性插值方法。根據(jù)準(zhǔn)確度要求對(duì)非線性曲線進(jìn)行分段，用若干折線逼進(jìn)非線性曲線。插值表達(dá)式的通式為：Yi=xi=xk+(xk+1-xk)(ui-uk)/uk+1-uk第七頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日2.曲線擬合法

曲線擬合法通常采用n次多項(xiàng)式來逼近反非線性曲線，多項(xiàng)式方程的各個(gè)系數(shù)由最小二乘法確定。步驟如下：

①對(duì)傳感器及其調(diào)理電路進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)標(biāo)定，得到校準(zhǔn)曲線。

②設(shè)反非線性曲線擬合多項(xiàng)式方程為：Xi(ui)=a0+a1ui+a2ui2+…+anuin

③根據(jù)最小二乘法原則求解待定系數(shù)。

曲線擬合法的缺點(diǎn)在于當(dāng)有噪聲存在時(shí)，利用最小二乘法原則確定待

定系數(shù)時(shí)可能會(huì)遇到病態(tài)而無法求解。

第八頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日

智能傳感器自診斷技術(shù)俗稱“自檢”，要求對(duì)智能傳感器自身各部件，包括軟件和硬件進(jìn)行檢測(cè)，如ROM、RAM、寄存器、插件、A/D及D/A轉(zhuǎn)換電路及其它硬件資源等的自檢驗(yàn)，以及驗(yàn)證傳感器能否正常工作，并顯示相關(guān)信息。

對(duì)傳感器進(jìn)行故障診斷主要以傳感器的輸出值為基礎(chǔ)的，主要有：①硬件冗余診斷法②基于數(shù)學(xué)模型的診斷法③基于信號(hào)處理的診斷法④基于人工智能的故障診斷法知識(shí)點(diǎn)4如何進(jìn)行自檢參數(shù)估計(jì)診斷法狀態(tài)估計(jì)診斷法直接信號(hào)比較法基于主成分分析基于小波變換的診斷方法基于專家系統(tǒng)的診斷方法基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷方法第九頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日

傳感器的電磁兼容性是指?jìng)鞲衅髟陔姶怒h(huán)境中的適應(yīng)性，它要求傳感器在同一時(shí)空環(huán)境的其它電子設(shè)備相互兼容，既不受電磁干擾的影響，也不會(huì)對(duì)其它電子設(shè)備產(chǎn)生影響。

抑制傳感器電磁干擾可以從以下幾個(gè)方面考慮：

一是削弱和減少噪聲信號(hào)的能量；

二是破壞干擾的路徑；

三是提高線路本身的抗干擾能力。

提高抗干擾能力具體方法有以下幾種：

一是電磁屏蔽：是抑制干擾耦合的有效途徑；二是接地：是消除傳導(dǎo)干擾耦合的重要措施；

三是元器件選擇：采用降額原則并選擇高精密的元器件；

四是合理設(shè)計(jì)電路板：盡量減少閉合回路所包含的面積。

知識(shí)點(diǎn)5

怎樣提高傳感器抗干擾能力？第十頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日

1-Wire總線采用一種特殊的總線協(xié)議，通過單條連接線解決了控制、通信和供電問題，是具備電子標(biāo)識(shí)、傳感器、控制和存儲(chǔ)等多種功能的器件。其適用于單個(gè)主機(jī)系統(tǒng)控制一個(gè)或多個(gè)從機(jī)設(shè)備，在分布式低速測(cè)控系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用。

1-wire總線具有以下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低節(jié)省I/O口資源便于總線擴(kuò)展和維護(hù)

知識(shí)點(diǎn)61-Wire總線的特點(diǎn)是什么？第十一頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日1.1-Wire單總線器件的硬件結(jié)構(gòu)1-wire的硬件結(jié)構(gòu)

內(nèi)部等效電路第十二頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日2.1-Wire單總線器件的時(shí)序

訪問1-wire器件要求遵循標(biāo)準(zhǔn)的1-wire協(xié)議，支持16kb/s的正常速率及142kb/s的高速模式。1-wire協(xié)議定義了復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫0、寫1、讀0和讀1等幾種時(shí)序。

初始化時(shí)序圖寫1時(shí)序圖第十三頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日寫0時(shí)序圖

讀0、1時(shí)序圖第十四頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日

I2C總線是Philips公司20世紀(jì)80年代推出的一種用于IC器件之間的二線制串行擴(kuò)展總線，它可以有效地解決數(shù)字電路設(shè)計(jì)過程中所涉及到的許多接口問題。I2C總線的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，總線只需要兩根線

串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時(shí)鐘線（SCI）

②器件地址的唯一性每個(gè)連接到總線的器件都可以通過唯一的地址和一直存在的簡(jiǎn)單的主機(jī)/從機(jī)關(guān)系軟件設(shè)定地址。

③允許有多個(gè)主I2C器件

I2C總線上允許有多個(gè)主器件，總線協(xié)議中有沖突檢測(cè)和仲裁機(jī)制，以防止通信中的數(shù)據(jù)丟失或錯(cuò)誤；

④多種通信速率模式

I2C總線在標(biāo)準(zhǔn)模式下的速率為100kbit/s，快速模式下為400kbit/s，高速模式下為3.4Mbit/s；

⑤節(jié)點(diǎn)可帶電接入或撤出（熱插拔）各個(gè)節(jié)點(diǎn)電源獨(dú)立，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的帶電接入或移除（熱插拔）知識(shí)點(diǎn)7I2C總線的特點(diǎn)的特點(diǎn)是什么？第十五頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日1.

I2C總線的電氣結(jié)構(gòu)

I2C總線接口內(nèi)部為雙向傳輸電路，總線端口輸出為開漏結(jié)構(gòu)，總線上必須有上拉電阻。

總線的電氣結(jié)構(gòu)圖第十六頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日2.I2C總線時(shí)序

I2C總線上數(shù)據(jù)傳遞時(shí)序圖如圖所示。總線上傳送的每一幀數(shù)據(jù)均為一個(gè)字節(jié)。發(fā)送時(shí)，首先發(fā)送的是數(shù)據(jù)的最高位。每次傳送開始有起始信號(hào)，結(jié)束時(shí)有停止信號(hào)。在總線傳送完一個(gè)字節(jié)后，可以通過對(duì)時(shí)鐘線的控制使傳送暫停。

總線上數(shù)據(jù)傳遞時(shí)序圖第十七頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日3.基于I2C接口的集成數(shù)字溫度傳感器LM75A

介紹一種具有I2C接口的集成數(shù)字溫度傳感器LM75A，它既可以作為溫度測(cè)量裝置使用，還可以作為溫度控制裝置使用。表13-1LM75A的管腳描述表管腳

編號(hào)助記

符描述1SDAI2C串行雙向數(shù)據(jù)線，開漏輸出；2SCLI2C串行時(shí)鐘輸入；3OS過熱關(guān)斷輸出，開漏輸出；4GND地5A2數(shù)字輸入，用戶定義的地址位2；6A1數(shù)字輸入，用戶定義的地址位1；7A0數(shù)字輸入，用戶定義的地址位0；8VCC電源圖14-18LM75A數(shù)字溫度傳感器的功能框圖第十八頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日

SPI總線是Motorola公司推出的一種同步串行外設(shè)接口技術(shù)。SPI接口是在CPU與外圍器件之間進(jìn)行同步串行數(shù)據(jù)傳輸，在主器件的移位脈沖下，數(shù)據(jù)按位傳輸，高位在前，低位在后，為全雙工通信，數(shù)據(jù)傳輸速度總體來說比I2C總線要快，速度可達(dá)幾Mbps。SPI總線的特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：①高效的、全雙工、同步的通信總線；

②簡(jiǎn)單易用：只需要占用四根線，節(jié)約管腳，為PCB布局節(jié)省了空間；

③可同時(shí)發(fā)出、接收串行數(shù)據(jù)；

④可當(dāng)作主機(jī)或從機(jī)工作，頻率可編程；

⑤具有寫沖突保護(hù)、總線競(jìng)爭(zhēng)保護(hù)等功能。知識(shí)點(diǎn)8SPI總線的特點(diǎn)是什么？第十九頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日1.SPI總線的連接結(jié)構(gòu)

SPI總線可以同時(shí)發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)。它只需四條線就可以完成MCU與各種外圍器件的通訊，這四條線是：串行時(shí)鐘線（SCK）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線（MISO）、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線（MOSI）、低電平有效從機(jī)選擇線。SPI總線連接結(jié)構(gòu)圖第二十頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日2.SPI總線的時(shí)序第二十一頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日3.基于SPI總線的智能溫度傳感器LM74

圖14-25LM74的內(nèi)部電路框圖圖14-26LM74與68HC11構(gòu)成的典型電路第二十二頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日

USB（通用串行總線）不是一種新的總線標(biāo)準(zhǔn)，而是應(yīng)用于PC領(lǐng)域的新型總線技術(shù)。先后已經(jīng)制訂了USB1.0、USB1.1和USB2.0等規(guī)范，USB3.0規(guī)范的技術(shù)樣本也已經(jīng)公布。USB總線有如下特點(diǎn)：①速度快

USB1.1支持高速模式，傳送速率為12Mbit/s,比標(biāo)準(zhǔn)串口大約快100倍；USB2.0支持全速模式，傳輸速度480Mbit/s;USB3.0傳輸速度為5Gbit/s。

②連接簡(jiǎn)單快捷可以在正在運(yùn)行的電腦上安全地連接或斷開一個(gè)USB設(shè)備而不需要重啟系統(tǒng)。

③無須外接電源和低功耗USB總線可提供最大5V的電壓，電流500mA。

④支持多連接USB總線可以同時(shí)掛接多個(gè)USB設(shè)備，理論上可達(dá)127個(gè)。

⑤良好的兼容性USB總線具有良好的向下兼容性。知識(shí)點(diǎn)9USB總線的特點(diǎn)是什么？第二十三頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日1.USB的物理接口和電氣特性

USB(2.0以下版本)的電氣接口由4條線構(gòu)成，用以傳送信號(hào)和提供電源，如圖14-27所示。圖14-27USB電纜USB主機(jī)或根集線器對(duì)設(shè)備提供的對(duì)地電源電壓為，設(shè)備能吸入的最大電流值為500mA。USB設(shè)備的電源供給有自給方式（設(shè)備自帶電源）和總線供給兩種方式。第二十四頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日2.USB的系統(tǒng)組成和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖14-28USB系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖①USB主機(jī)的功能：管理USB系統(tǒng)；每毫秒產(chǎn)生一幀數(shù)據(jù)；發(fā)送配置請(qǐng)求對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行配置操作；對(duì)總線上的錯(cuò)誤進(jìn)行管理和恢復(fù)。②USB外設(shè)在一個(gè)USB系統(tǒng)中：USB外設(shè)和集線器總數(shù)不能超過127個(gè)。③集線器用于設(shè)備擴(kuò)展連接：所有USB外設(shè)都連接在USBHub的端口上。第二十五頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日3.USB的傳輸方式

針對(duì)設(shè)備對(duì)系統(tǒng)資源需求的不同,在USB規(guī)范中規(guī)定了4種不同的數(shù)據(jù)傳輸方式：①等時(shí)傳輸方式

等時(shí)傳輸方式即以固定的傳輸速度連續(xù)不斷地在主機(jī)與USB之間傳輸數(shù)據(jù)。②中斷傳輸方式該方式傳送的數(shù)據(jù)量很小，但這些數(shù)據(jù)需要及時(shí)處理，以達(dá)到實(shí)時(shí)效果。③控制傳輸方式

用設(shè)備控制指令，設(shè)備狀態(tài)查詢及確認(rèn)命令來處理主機(jī)USB設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。④批傳輸方式

由于傳輸要求無誤的要求。

在這些數(shù)據(jù)傳輸方式中，除等時(shí)傳輸方式外，其他3種方式在數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，都會(huì)試圖重新發(fā)送數(shù)據(jù)以保證其準(zhǔn)確性。第二十六頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日

隨著微機(jī)械電子、人工智能、計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，智能傳感器的“智能”含義不斷深化，許多智能傳感新模式陸續(xù)出現(xiàn)。這里介紹近年智能傳感器其中兩個(gè)研究熱點(diǎn)——嵌入式智能傳感器和陣列式智能傳感器。

1.嵌入式智能傳感器嵌入式智能傳感器一般是指應(yīng)用了嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、智能理論和傳感器技術(shù)，具備網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，并且集成了多樣化外圍功能的新型傳感器系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)如圖所示：

知識(shí)點(diǎn)10智能傳感技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

圖14-49嵌入式智能傳感器第二十七頁(yè)，共三十一頁(yè)，