第一步——傳感器信號數(shù)字化

當工程師設計帶有傳感器的系統(tǒng)時，他們首先會建立傳感器對被測物理量的響應的數(shù)學模型，以及信號調(diào)理電路對傳感器輸出信號的期望響應的數(shù)學模型，然后用電路實現(xiàn)這些數(shù)學模型。盡管上述模型都很好，但是必須注意，這些模型只能近似等于實際電路的響應（盡管通常希望這些模型都是精確無誤的 ）。如果能以數(shù)學形式表示系統(tǒng)中盡可能多的部分，那么模型就更接近于實際響應。這是因為，數(shù)字不會隨時間而改變，并且也可準確地和經(jīng)松地處理它們。事實上，這種數(shù)字信號處理（DSP）的原則已經(jīng)確立并得到廣泛應用， DSP就是利用數(shù)學而不是電路對信號進行處理的。利用 DSP可以很容易地實現(xiàn)標準變換，比如通過濾波去除不想要的噪聲或者通過頻率映射來識別特定的信號分量。此外，利用DSP理論還能實現(xiàn)一些即使是最先進的電路也無法完成的處理。

正因為上述原因，如今的設計中都包含一級信號調(diào)理電路，它負責將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。這一步被稱作模－數(shù)轉(zhuǎn)換，或稱A/D轉(zhuǎn)換，也可簡記為ADC, 這一步極為關鍵。因為一旦將傳感器信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，那么就能通過微處理器中運行的軟件來完成信息處理。通常所說的模—數(shù)轉(zhuǎn)換器其實是一枚單片的半導體器件，它能夠精確地、穩(wěn)定地工作于變化的環(huán)境中。由于大多數(shù)環(huán)境補償電路都可以集成到ADC器件中，而濾波處理則可由軟件實現(xiàn)，因此，對信號調(diào)理電路的需求會顯著減少。我們很快就會看到，出于系統(tǒng)的器件大大減少并且所有處理幾乎都通過數(shù)學運算完成的，因此無論是從系統(tǒng)性能還是商業(yè)前景的角度來看，都是大有益處的。

第二步——增加一些智能

將傳感器信號數(shù)字化之后，主要有兩種途徑來處理這些數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)算法定義的功能。第一種是采用專用的數(shù)字硬件電路，通過硬件連線實現(xiàn)我們設計的算法， 另一種則是采用微處理器完成運算。一般來說，專用硬件比微處理器系統(tǒng)的速度更快，但是其成本較高并且缺乏靈活性。當不需要專用硬件那么高的運算速度時，由于微處理器適用的場合更廣泛，因此具有更好的設計靈活性，并且可能成本更低。

一旦系統(tǒng)具有了智能，就能解決我們之前提出的問題。比如可以自動完成標定，也可以通過純數(shù)學的處理算法消除器件漂移，甚至還能通過定期監(jiān)控環(huán)境條件并自動進行適當?shù)恼{(diào)整來補償環(huán)境變化。可見，只要賦于系統(tǒng)一個大腦，就能使設計師的生活自在得多。

第三步——實現(xiàn)快速而可靠的通信

最后還剩下一個問題：如果能實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)共享，那么就可以很容易地擴大那些需要

共享傳感器輸出信號的系統(tǒng)的規(guī)模。這里再次強調(diào)，由于傳感器的輸出信號是數(shù)字的，因此能夠可靠地實現(xiàn)共享。就像在人類的世界中共享信息后會使信息量增大一樣，與本系統(tǒng)或者其他系統(tǒng)中的某個部件共享傳感器測量值后也會使系統(tǒng)的總測量值變多。為了實現(xiàn)這個目標，我們必須裝備帶有標準通信接口的智能傳感器，使它們能與其他部件交換信息。通過標準通信方式，我們就能保證盡可能廣泛、簡便和可靠地共享傳感器輸出信號，從而最大限度地發(fā)揮傳感器及其產(chǎn)生的信息的作用。

第四步——將所有的東西連在一起，就得到一個智能傳感器

這里要強調(diào)大多數(shù)工程師認為的智能傳感器（有時也稱作靈巧傳感器）的三個必備特征。

(1) 含有用于測量一個或者多個物理量的敏感元件(本質(zhì)上就是我們提到過的傳統(tǒng)傳感器)。

(2) 具有用于分析敏感元件所測結果的運算元件。

(3) 與外界相連的通信接口，它使傳感器能在一個更大的系統(tǒng)中與其他部件交換信息。

其中，后兩點是智能傳感器與常見的常規(guī)傳感器的主要區(qū)別（見圖1)。智能傳感器具有將數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒌哪芰?#xff0c;能在本地使用信息，還能將信息傳輸至系統(tǒng)中的其他部件。這些都是常見的常規(guī)傳感器無法做到的。

圖1 常規(guī)傳感器和智能傳感器的框圖

本質(zhì)上看，智能傳感器使傳感器世界"扁平化"， 它使得傳感器能與附近的或者遍布全球的其他傳感器相連，共同完成以前無法完成的任務。更為重要的是，由于智能傳感器的大多數(shù)功能都由軟件實現(xiàn)，因此設計師只需改變傳感器的軟件配置就能得到各種各樣的產(chǎn)品。

這對智能傳感器供應商造成兩點重要影響。一個是供應商要從提供硬件產(chǎn)品轉(zhuǎn)變?yōu)樘峁┸浖a(chǎn)品。盡管傳感器仍然需要一個基本的硬件平臺（畢竟它還是個物理設備 ），但是提高或爭奪利潤的主要因素已不再是硬件，而是控制智能傳感器的軟件。由于制造商只需稍改一點兒軟件就能添減產(chǎn)品的功能，因此他們幾乎可以即時地改變產(chǎn)品的搭配。那些定制的產(chǎn)品甚至可以直到完成最終測試和運輸前才進行配置。此外，一種硬件平臺可以用于不同市場。不同價格的多種產(chǎn)品。最后，一旦供應商開發(fā)出了新功能，那么無需增加產(chǎn)品的硬件成本就能使之具備新功能，從而使邊際利潤猛增。

另一個影響是，由于智能傳感器能與外界相連，因此供應商如今可以在調(diào)試現(xiàn)場收集傳感器的運行信息，并能在傳感器出廠后更新設備的軟件。傳感器工作現(xiàn)場的信息不但能使傳感器制造商準確掌握用戶需求及其關注點，而且還能提供——對用戶來說最為重要的——定位故障或缺陷的可靠數(shù)據(jù)（很可能就是用戶將來最在意的東西 ）。掌握這些信息后，傳感器制造商就能快速地為產(chǎn)品增加新功能、根據(jù)用戶需求提供相應的配置并實施產(chǎn)品維護，而且在進行上述工作時都無需接觸到傳感器本身。如今，供應商可以足不出戶地提供低成本的服務，這又給供應商帶來了額外的價值和利益。

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聲明：本文內(nèi)容出自Creed Huddleston【美】的《智能傳感器設計》一書，張鼎等譯，人民郵電出版社出版。此書對我的啟發(fā)很大，在此分享給大家。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的设计一个智能传感器只需要4步的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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