從家庭到公海的復(fù)雜監(jiān)控和自動(dòng)化需求不斷增長(zhǎng)，需要高效且有效的技術(shù)將大量傳感器和執(zhí)行器連接到主機(jī)系統(tǒng)，主機(jī)系統(tǒng)可能在幾米到幾百英里之間。

感知和控制的重要作用

工業(yè)控制傳統(tǒng)上嚴(yán)重依賴傳感器來(lái)檢測(cè)位置，溫度或壓力等因素，以控制各種過(guò)程，如化學(xué)品生產(chǎn)，容器填充或機(jī)械裝配任務(wù)。隨著工業(yè)公司尋求減少人為干預(yù)以提高質(zhì)量和減少人員以降低成本，對(duì)傳感器的需求增加。

進(jìn)一步增加對(duì)傳感器的需求，大量數(shù)據(jù)正被部署在通常尚未使用的應(yīng)用程序和位置。智能建筑現(xiàn)象就是一個(gè)例子;辦公室，工廠甚至私人住宅越來(lái)越普遍地采用傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)檢測(cè)人體存在，環(huán)境光線，室溫和空氣質(zhì)量。這使控制器能夠優(yōu)化照明，HVAC和其他設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)舒適性和能源效率。此外，即使在移動(dòng)中，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或無(wú)線連接到幾乎位于世界任何地方的傳感器的能力也允許許多類型的企業(yè)提高安全性，安全性和服務(wù)質(zhì)量。物流公司能夠通過(guò)監(jiān)控中央運(yùn)營(yíng)中心的門或溫度傳感器來(lái)檢測(cè)未經(jīng)授權(quán)的運(yùn)輸中的集裝箱。集中監(jiān)控溫度控制容器的能力還允許操作員識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的問(wèn)題，例如卡車冰箱單元的故障，并將駕駛員引導(dǎo)至最接近計(jì)劃的運(yùn)送路線的維修站。在過(guò)去，冰箱故障可能導(dǎo)致易腐爛庫(kù)存和錯(cuò)過(guò)交貨的不可避免的損失。遙感現(xiàn)在正在幫助物流公司避免這些成本。

簡(jiǎn)化連接

隨著對(duì)越來(lái)越多的網(wǎng)絡(luò)傳感器的依賴性日益增加，需要更高效，更實(shí)用的技術(shù)將傳感器連接到主機(jī)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的傳感器連接（例如模擬（4-20 mA））或串行數(shù)字連接（例如RS-232/485）越來(lái)越多地出現(xiàn)了難以接線的挑戰(zhàn)，不僅妨礙了安裝，而且減慢了維護(hù)和維修的速度并使其復(fù)雜化。 IO Link提供標(biāo)準(zhǔn)化I/O技術(shù)，解決傳感器網(wǎng)絡(luò)“最終儀表”中的接線挑戰(zhàn)，如圖1所示。

圖1：IO Link以多種方式簡(jiǎn)化了傳感器互連，包括允許使用標(biāo)準(zhǔn)電纜。

IO Link標(biāo)準(zhǔn)化為IEC 61131-9，允許傳感器/執(zhí)行器設(shè)備與連接到以太網(wǎng)或Profibus等網(wǎng)絡(luò)的主站之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。主設(shè)備可以有多個(gè)端口，每個(gè)端口為一個(gè)IO鏈路設(shè)備提供連接。 IO Link提供主設(shè)備和設(shè)備之間的智能交互，允許用戶可控制的幀長(zhǎng)度為2到32個(gè)字節(jié)以及一系列數(shù)據(jù)速率。設(shè)備參數(shù)存儲(chǔ)在主設(shè)備上，簡(jiǎn)化了使用相同設(shè)備更換故障設(shè)備的過(guò)程。此外，該設(shè)備還包含一個(gè)IO設(shè)備描述（IODD）文件，其中包含制造商和功能信息，以及內(nèi)部設(shè)備ID，可以向主設(shè)備全面識(shí)別設(shè)備。 IO Link基于長(zhǎng)期建立的技術(shù)指定與設(shè)備的3線連接，從而實(shí)現(xiàn)電纜組件和接口的標(biāo)準(zhǔn)化，以連接來(lái)自不同制造商的各種類型的傳感器和主設(shè)備。

IO Link傳感器或執(zhí)行器可能包含一個(gè)IC，例如Maxim MAX14821 IO-Link器件收發(fā)器。該器件用作物理層接口，與運(yùn)行數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的微控制器配合使用，如圖2所示。同樣，MAX14824 IO Link主收發(fā)器提供物理鏈路層，用于主控制器。帶內(nèi)SPI尋址和可選擇的SPI地址使該器件可用于連接多達(dá)16個(gè)器件。其12 MHz SPI接口可確保在如此高端口數(shù)的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)低延遲。

圖2：MAX14821 IO Link器件收發(fā)器通過(guò)C/Q引腳將傳感器連接到IO Link主機(jī)。

使傳感器變得更智能

通過(guò)包含微控制器，傳感器和傳感器可以成為智能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)，信號(hào)處理和更復(fù)雜的功能，從中央控制器卸載決策。圖3顯示了使用熱電偶或電阻溫度檢測(cè)器（RTD）的溫度傳感器的主要傳感，信號(hào)調(diào)理，微控制器和網(wǎng)絡(luò)接口功能。

圖3：采用精密模擬前端電路的智能傳感器架構(gòu)。

設(shè)計(jì)傳感器（尤其是工業(yè)應(yīng)用）時(shí)的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于捕獲和調(diào)節(jié)傳感元件產(chǎn)生的極小振幅信號(hào)。特別是，工業(yè)應(yīng)用往往會(huì)受到高水平的電噪聲和浪涌電壓的影響，這些電壓需要精確的模擬電路將原始傳感器輸出轉(zhuǎn)換為微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器可接受的數(shù)字信號(hào)。德州儀器（TI）擁有多種用于各種傳感應(yīng)用的模擬前端IC，包括溫度傳感，可為這一挑戰(zhàn)提供單芯片解決方案。

ADS1248 24位2 ksample/s模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），如圖3所示，針對(duì)溫度傳感器進(jìn)行了優(yōu)化，并集成了低噪聲可編程增益放大器（PGA），精度高ADC具有數(shù)字濾波器和低漂移電壓基準(zhǔn)。還集成了精密電流源，可用于提供熱敏電阻或其他RTD型溫度傳感器。圖中所示的微控制器可用于處理網(wǎng)絡(luò)接口和主機(jī)通信，以及其他功能，如本地顯示器。

同樣，TI提供PGA309電壓輸出可編程傳感器調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器針對(duì)橋式激勵(lì)型傳感器（如壓阻式或陶瓷膜壓力傳感器）進(jìn)行了優(yōu)化。它可以如圖3所示使用，并具有內(nèi)置電路，可補(bǔ)償傳感器線性化誤差，跨度，偏移和溫度漂移以及校準(zhǔn)。它還能夠檢測(cè)傳感器是否發(fā)生故障。 TI還具有各種離散精密ADC，如ADS1274，能夠采樣高達(dá)144 ksample/s，可與流量計(jì)等傳感器配合使用。

標(biāo)準(zhǔn)化接口

智能傳感器的快速發(fā)展和智能傳感器市場(chǎng)的發(fā)展存在一些障礙。這些包括傳感材料或技術(shù)與微電子電路之間的各種不兼容性，這可能妨礙傳感器和智能電路的緊密集成或共同封裝。也許更重要的是傳感器生產(chǎn)商可能不想構(gòu)建多種變體來(lái)連接多種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，如以太網(wǎng)，Profibus或其他。實(shí)際上，傳感器構(gòu)建者可能根本不想?yún)⑴c網(wǎng)絡(luò)連接方面。

IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)旨在解決這些類型的問(wèn)題，提出智能傳感器的傳感和網(wǎng)絡(luò)連接功能之間的標(biāo)準(zhǔn)化接口。圖4說(shuō)明了IEEE 1451計(jì)劃模型和傳感器分區(qū)如何實(shí)現(xiàn)這種標(biāo)準(zhǔn)化。

圖4：IEEE 1451中描述的智能傳感器分區(qū)。

如圖所示對(duì)傳感器進(jìn)行分區(qū)有效地使來(lái)自任何制造商的兼容傳感器模塊能夠插入來(lái)自任何其他制造商的兼容網(wǎng)絡(luò)接口模塊。網(wǎng)絡(luò)接口模塊可以支持以太網(wǎng)，Profibus或其他類型的連接。此外，IEEE 1451框架提出了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的傳感器電子數(shù)據(jù)表（TEDS），它包含在傳感器模塊中，它描述了傳感器到主機(jī)網(wǎng)絡(luò)。由此產(chǎn)生的包括智能傳感器和網(wǎng)絡(luò)接口模塊的單元能夠作為即插即用單元直接連接到網(wǎng)絡(luò)。這可以減少將傳感器連接到網(wǎng)絡(luò)時(shí)的人為錯(cuò)誤，簡(jiǎn)化智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的安裝和維護(hù)，并允許以最短的停機(jī)時(shí)間快速輕松地更換或升級(jí)傳感器。

IEEE 1451的各個(gè)方面和原理，特別是TEDS和STIM標(biāo)準(zhǔn)，已被用于商業(yè)傳感器產(chǎn)品中，以促進(jìn)智能接口和網(wǎng)絡(luò)連接。 IEEE 1451還為Java分布式數(shù)據(jù)采集和控制（JDDAC）平臺(tái)提供了基礎(chǔ)，該平臺(tái)使Java應(yīng)用程序能夠連接到各種傳感器和執(zhí)行器。

遠(yuǎn)程連接

通過(guò)合適的網(wǎng)絡(luò)接口，智能傳感器能夠使用各種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信。這些可能是特定于應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，例如控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN），高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器協(xié)議（HART），Profibus或工業(yè)以太網(wǎng)衍生產(chǎn)品，例如EtherCAT。同樣，可以支持諸如標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)或因特網(wǎng)協(xié)議（IP）之類的通用連接。借助IP支持和嵌入式Web服務(wù)器，智能傳感器可以連接到互聯(lián)網(wǎng)，從而提供從世界上幾乎任何地方監(jiān)控設(shè)備的機(jī)會(huì)。

由于多種原因，還需要無(wú)線連接到智能傳感器。在一個(gè)工業(yè)站點(diǎn)內(nèi)，使用ZigBee?等標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以輕松擴(kuò)展或調(diào)整網(wǎng)絡(luò)，而無(wú)需大量新的基礎(chǔ)設(shè)施。這可以使用IEEE 802.15.4無(wú)線電收發(fā)器或智能或無(wú)線微控制器（例如STMicroelectronics的STM32W系列）來(lái)實(shí)現(xiàn)，該系列包含32位ARM?Cortex?-M3微控制器和集成的IEEE 802.15.4無(wú)線電。

隨著物聯(lián)網(wǎng)（IOT）和其他應(yīng)用的快速發(fā)展，例如需要通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）連接的遠(yuǎn)程信息處理，各種嵌入式調(diào)制解調(diào)器可用于支持GSM等蜂窩標(biāo)準(zhǔn)， GPRS/EDGE和CDMA，允許連接到全球各個(gè)地區(qū)使用的網(wǎng)絡(luò)。嵌入式調(diào)制解調(diào)器，如Multi-Tech MTSMC-C1-N16-SP（見(jiàn)圖5），是一款雙頻800/1900 MHz CDMA2000調(diào)制解調(diào)器，也支持以太網(wǎng)和Wi-Fi?接入，并經(jīng)過(guò)預(yù)先認(rèn)證，適用于網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。它采用Multi-Tech建立的標(biāo)準(zhǔn)嵌入式調(diào)制解調(diào)器引腳，可通過(guò)串行連接直接連接到UART或微控制器。

圖5.嵌入式蜂窩調(diào)制解調(diào)器（如Multi-Tech Systems的SocketModem?系列）可以直接連接到微控制器。

結(jié)論

依靠智能傳感器來(lái)幫助管理資源和提高生產(chǎn)力將繼續(xù)增長(zhǎng)。精確感應(yīng)需要特別注意模擬設(shè)計(jì)?？商峁﹩涡酒?a href="http://www.www27dydycom.cn/tags/afe/" target="_blank">AFE，可在使用特定傳感器類型時(shí)克服這些挑戰(zhàn)。隨著更多傳感器的部署和新的傳感方案的出現(xiàn)，需要有效且抗誤差的方法將傳感器連接到網(wǎng)絡(luò)和中央控制器，同時(shí)允許人工監(jiān)督員進(jìn)行監(jiān)控。

仔細(xì)考慮智能傳感器和網(wǎng)絡(luò)接口功能之間的接口，利用傳感器特定的標(biāo)準(zhǔn)以及各種網(wǎng)絡(luò)和通信標(biāo)準(zhǔn)，允許在本地范圍內(nèi)準(zhǔn)確監(jiān)控和控制多種類型的系統(tǒng)區(qū)域，或跨越數(shù)百甚至數(shù)千英里的距離。