在很多工業(yè)應(yīng)用中傳感中，記錄和通信當(dāng)前環(huán)境條件數(shù)據(jù)至關(guān)重要。雖然很多工業(yè)處理過程都面臨高溫、高壓、振動(dòng)、腐蝕性氣體或液體等環(huán)境問題，但是控制和監(jiān)測這些處理過程，尤其是在非常嚴(yán)酷的條件下，實(shí)時(shí)傳感還是非常有必要的。當(dāng)然控制功能也是保證安全的重要因素，如設(shè)備安全，操作過程安全以及人員安全等。很多控制系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)就是傳感功能，因?yàn)橥ǔＫ鼈冃枰ぷ髟趪?yán)酷環(huán)境中最惡劣的那部分，而控制系統(tǒng)通常被部署在遠(yuǎn)離最嚴(yán)酷的環(huán)境的地方，因此對(duì)于控制系統(tǒng)的要求不像對(duì)傳感系統(tǒng)那樣嚴(yán)格。

舉個(gè)例子來說明嚴(yán)酷環(huán)境下對(duì)傳感與控制系統(tǒng)的嚴(yán)格要求，井下鉆探需要精確控制鉆井和提取過程。如果沒有連續(xù)的控制功能，這個(gè)操作過程可能耗費(fèi)的時(shí)間更長，需要經(jīng)常停下來維護(hù)，甚至有可能毀壞復(fù)雜昂貴的設(shè)備。最糟糕的情況是，如果控制系統(tǒng)沒能及時(shí)反應(yīng)，操作者可能面臨不可預(yù)知的危險(xiǎn)。如果為了減少花費(fèi)而采用精確性差，可靠性差的傳感器，最終結(jié)果就是造成的損失更大，浪費(fèi)了寶貴的時(shí)間，設(shè)備損壞，甚至導(dǎo)致操作者受傷或者死亡。

井下鉆探對(duì)于傳感的要求范圍很大。對(duì)傳感器的要求不同于尋常，不僅要監(jiān)測溫度，壓力和電阻率甚至要監(jiān)測井下可能出現(xiàn)的伽馬射線輻射水平（圖1）。這些傳感器需要能夠經(jīng)受住井下環(huán)境出現(xiàn)的高溫，高壓，振動(dòng)和腐蝕性等條件，同時(shí)精確性也是同樣重要的。提前檢測小的變化可以讓控制系統(tǒng)更容易的判定變化趨勢，這小的變化可能是系統(tǒng)壓力變化的預(yù)警符號(hào)，需要進(jìn)行調(diào)整或者控制。幸運(yùn)的是現(xiàn)在很多傳感器都能夠承受這些嚴(yán)酷的環(huán)境并且能為先進(jìn)的控制系統(tǒng)提供精確的測量。

圖1井下傳感對(duì)于安全和效率至關(guān)重要

1嚴(yán)酷環(huán)境下的系統(tǒng)框架

正如前面所提到的，在嚴(yán)酷環(huán)境下，通常我們要將傳感組件與控制組件組開部署，這樣那些復(fù)雜的電子控制系統(tǒng)就可以遠(yuǎn)離最嚴(yán)酷的環(huán)境條件，而將健壯的傳感器部署在最具挑戰(zhàn)性的區(qū)域。然而一些控制功能需要在傳感器附近完成，如管理采集到的數(shù)據(jù)然后經(jīng)數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。除此之外還需要記錄傳感器吊艙內(nèi)部或周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)，這樣有助于實(shí)現(xiàn)高效測量以及判斷發(fā)生的故障（類似于飛機(jī)上使用的“黑匣子”，幫助我們判定錯(cuò)誤或者故障發(fā)生的根本原因）。記錄數(shù)據(jù)同樣也需要一些控制功能來實(shí)現(xiàn)整個(gè)記錄過程。

設(shè)計(jì)滿足這些要求的系統(tǒng)的一個(gè)方法就是將一個(gè)簡單的控制器部署在傳感組件旁邊來實(shí)現(xiàn)簡單的通信與記錄功能（圖2）。多個(gè)傳感器被封裝起來用于監(jiān)測環(huán)境條件，同時(shí)采用一個(gè)傳感器控制器獲取傳感器數(shù)據(jù)并作一定的處理，降低數(shù)據(jù)傳輸開銷。通信控制器可以部署在遠(yuǎn)離傳感器封裝包的地方，降低嚴(yán)酷環(huán)境對(duì)其的要求。大量的數(shù)據(jù)處理和算法處理可以放在中央控制器內(nèi)完成，中央控制器部署在最遠(yuǎn)處，可以使用工業(yè)通用的計(jì)算機(jī)。控制器間的通信可以采用無線方式，如果環(huán)境允許，也可以采用電線或者光線通信。

圖2：井下傳感器應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)示例，假設(shè)采用光纖通信，因?yàn)楣饫w可以長距離通信且受電磁干擾最小

2傳感器和信號(hào)鏈

溫度傳感器可能是最為人所熟知的傳感器類型了，基于金屬鉑的傳感器可以根據(jù)溫度改變電阻。例如霍尼韋爾700系列薄膜鉑傳感器監(jiān)測溫度范圍為-70——500攝氏度，可以在最惡劣溫度條件下工作。壓力傳感器，電磁傳感器，流體傳感器，氣體和位置傳感器可以一起封裝起來，預(yù)防振動(dòng)和機(jī)械壓力造成的損壞。傳感器通常還需要一系列電子信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測，包括放大，模數(shù)轉(zhuǎn)換，還可能包括一些信號(hào)處理從噪聲中提取有效信號(hào)。要找到一個(gè)組件能夠適應(yīng)如此大的溫度范圍來實(shí)現(xiàn)此部分的設(shè)計(jì)是有一定難度的，但是幸運(yùn)的是一些制造商為此類型的產(chǎn)品提供了可擴(kuò)展的溫度范圍，能夠在較高溫度下正常工作。

德州儀器(TI)提供了面向此類信號(hào)鏈設(shè)計(jì)要求的設(shè)備，能夠在-55攝氏度到210攝氏度溫度范圍內(nèi)正常工作。這些產(chǎn)品能夠生成信號(hào)鏈輸入所需的信號(hào)，首先是一個(gè)高溫運(yùn)算放大器（op amp），例如TI的 OPA 2333運(yùn)算放大器。放大器的輸出會(huì)作為高溫模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入，例如還是TI的ADS1278模數(shù)轉(zhuǎn)換器。因?yàn)檫@些產(chǎn)品都能夠在較大溫度范圍內(nèi)工作，并且采用堅(jiān)固的陶瓷封裝，它們可以被用于非常嚴(yán)酷環(huán)境下的傳感器應(yīng)用。

3控制系統(tǒng)框架

使用圖2的示例設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)工程師需要設(shè)計(jì)三個(gè)層次的控制環(huán)節(jié)。距傳感器最近的控制器要具有一定的信號(hào)處理能力。距離傳感器較遠(yuǎn)的通信控制器要能夠處理通信過程，并且要具有記錄功能。最后通信傳輸?shù)淖罱K端是一個(gè)工業(yè)計(jì)算機(jī)，它要能夠?yàn)殂@井過程提供高層次的算法控制和監(jiān)控能力。

傳感器控制和監(jiān)控是處理過程最密集的，因此需要最健壯的控制器。能夠勝任此任務(wù)的一個(gè)選擇就是德州儀器的TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器。它能夠在-55攝氏度到210攝氏度溫度范圍內(nèi)工作，完全能夠部署在最嚴(yán)酷的環(huán)境下。這款DSP處理器能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理然后將數(shù)據(jù)傳送給通信控制器，能夠降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)目値?，這對(duì)效率是一個(gè)很大的提升。

通信控制器可以是一個(gè)更簡單的處理器，甚至可以采用一個(gè)16為的MCU，例如飛思卡爾的MC9S12D64F0VFUE。對(duì)此控制器沒有太多的溫度要求，工作溫度范圍能夠達(dá)到105攝氏度就已經(jīng)足夠了。這類型的MCU完全具有管理整個(gè)通信過程的能力，架起從傳感器到系統(tǒng)控制器間的橋梁，并且能實(shí)現(xiàn)任何數(shù)據(jù)記錄所需的功能。

對(duì)中央控制器的要求是最少的，因此一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的具備高性能計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力的工業(yè)計(jì)算機(jī)就是一個(gè)非常好的選擇。例如ADLINK AmPro，一個(gè)非常小的單板計(jì)算機(jī)，完全能夠勝任，工作溫度范圍甚至可以從-40攝氏度到85攝氏度。它采用Intel Atom處理器，2GB的DDR2 SDRAM，8GB工業(yè)級(jí)SSD硬盤，外設(shè)接口有USB，LAN,SDIO,CAN和SATA，甚至還有一個(gè)24位的LVDS接口。完全兼容各種操作系統(tǒng)，可以直接使用現(xiàn)有的應(yīng)用軟件。

4通信鏈接環(huán)節(jié)

將信號(hào)從傳感器一直傳輸?shù)街醒肟刂破鲿?huì)面臨很多嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。通信環(huán)節(jié)可以采用光纖，電纜或者無線方式，這需要根據(jù)傳輸距離和當(dāng)時(shí)的環(huán)境特點(diǎn)來決定?？梢源_信的是采用無線方式作為鏈接媒介面臨挑戰(zhàn)是最少的，但是在很多環(huán)境下是不可能采用的，因?yàn)橛行┉h(huán)境下的噪聲或障礙物會(huì)對(duì)其傳輸造成干擾，井下應(yīng)用環(huán)境就是一個(gè)典型的例子。

采用光纖線纜通信和堅(jiān)固的連接器可以實(shí)現(xiàn)長距離的通信。一些光纖連接器系統(tǒng)，例如Molex 106397-1604,使用一種特殊的高溫金屬材料，能夠長時(shí)間在高達(dá)150攝氏度的高溫環(huán)境下正常工作，同時(shí)也能夠抵御嚴(yán)重的沖擊和振動(dòng)。

如果沒有太多的信號(hào)噪聲和衰減風(fēng)險(xiǎn)，短距離的通信采用電子通信是最合適的。串行傳輸協(xié)議可以采用較低的傳輸速率（例如傳統(tǒng)的UART傳輸速率），如果需要較高的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，也可以使用高達(dá)10-Gigabit網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。任何基于有線的通信方式，堅(jiān)固的連接器必須能夠經(jīng)受住高溫和嚴(yán)重的振動(dòng)。例如，TE公司推出的Ceelok FAS-T連接器可以應(yīng)用在各種通信系統(tǒng)中，可以使用5類（1Gbit網(wǎng)絡(luò)）線或者增強(qiáng)6類（10Gbit網(wǎng)絡(luò)）線。在圖2的示例設(shè)計(jì)中，從傳感器到通信控制器采用有線的連接器是比較合適的。根據(jù)傳感器的數(shù)量和監(jiān)控頻率，可以采用簡單的UART串口協(xié)議或者低速的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。

嚴(yán)酷的環(huán)境，像井下鉆探那樣，與傳統(tǒng)環(huán)境比起來會(huì)嚴(yán)重限制設(shè)計(jì)工程師的實(shí)現(xiàn)選擇。具有較大工作溫度范圍的組件，如可達(dá)到200攝氏度，可以讓在非常具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境下構(gòu)建健壯和復(fù)雜的傳感系統(tǒng)成為可能。通過遠(yuǎn)程部署通信和數(shù)據(jù)記錄功能，遠(yuǎn)離最嚴(yán)酷的環(huán)境條件，一個(gè)可以在較大溫度范圍能正常工作的設(shè)計(jì)是可以實(shí)現(xiàn)的，典型的設(shè)備能承受最大溫度在85攝氏度或105攝氏度一般足夠了。這種類型的部署方法可以應(yīng)用于很多類型的應(yīng)用中去，工作環(huán)境甚至可以像蜂窩基站或者高性能服務(wù)器的機(jī)架底盤控制卡一樣嚴(yán)酷。