【文章內容簡介】 處理理部分、微處理器單元和網(wǎng)絡接口單元。其中，敏感單元將被測信號轉化成電信號；信號調理單元完成信號的模擬濾波、放大和模數(shù)轉換等預處理功能；微處理器單元是智能傳感器的核心，主要完成信號數(shù)據(jù)的采集、處理（如數(shù)字濾波、非線性補償、自診斷）和數(shù)據(jù)輸出調度（包括數(shù)據(jù)通信和控制量本地輸出）等工作；網(wǎng)絡接口單元則實現(xiàn)傳感器與網(wǎng)絡的 連結，負責將傳感器信息按網(wǎng)絡傳輸格式傳到網(wǎng)絡上去，同時也接收網(wǎng)上發(fā)來的信息進行解讀以對傳感器進行自身設置或做出相應響應。 敏感元件的特點 敏感元件在整個系統(tǒng)中扮演的是“感官”的角色，就象人的五官一樣，它將外界的各種信號轉換成傳感器系統(tǒng)能理解的信號。按傳感單元的不同，傳感器可分為物理傳感器、化學傳感器和生物傳感器。物理傳感器是發(fā)展最早、種類最多的一類傳感器，它主要是將物理世界的各種物理量如力、位移、流量和溫度等等通過其敏感單元轉換為電或光的物理量，其轉換動作采用的是物理效應，如雙金屬片的受力彎 曲，壓強的作用以及一些敏感元件受力后產生的光電反應等等?；瘜W傳感器則是通過化學效應來進行測量外界變量的，如能檢測各種離子（ H+， Na+， K+等）的離子傳感器，測量各種可燃氣體（ CO， H2， O2 等）的氣體傳感器和檢測濕度的濕度傳感器。生物傳感器最初是指用來檢測有機物的傳感器，隨著生物工程技術的發(fā)展，其概念不斷被修正和更新，現(xiàn)在稱“以固定化的生物體成分或生物體本身作為敏感元件的傳感器為生物傳感器”，例如酶傳感器、微生物傳感器和免疫傳感器分別涉及到了酶、蛋白質、微生物細胞核生物體組織等等。 信號處理部分 的特點 信號處理單元在整個系統(tǒng)中扮演的是“神經(jīng)”的角色，就象人的神經(jīng)一樣，當人的五官感受到外界的各種信息后，并不是所有的信息都直接傳送給了大腦，而是經(jīng)過人類神經(jīng)篩選和抽取的。在信號傳送和記憶時，由于噪聲的混入和系統(tǒng)的特性不完整等會產生某種信號畸變。為了既正確地傳送，又正確地記億，應對畸變的信號進行修復。為此必須進行信號的某些處理。信號調理單元就是完成對傳感單元采集來的信號進行模擬濾波、放大和模數(shù)轉換等處理。在智能傳感器的信號調理單元往往需要模數(shù)轉換單元，將經(jīng)過模擬濾波放大的信號轉換為數(shù)字信號再傳給微 處理單元進行進一步處理。模數(shù)轉換器一般要考慮的是其轉換速度和轉換精度。轉換速度可視微處理器速度而定，而轉換精度則是現(xiàn)場要求而定，一般在 10 位以上。 處理器部分的特點 微處理單元是智能傳感器的核心，主要完成信號數(shù)據(jù)的采集、處理（如數(shù)字濾波、非線性補償、自診斷）和數(shù)據(jù)輸出調度（包括數(shù)據(jù)通信和控制量本地輸出）等工作。宿州學院 2022屆畢業(yè) 論文 網(wǎng)絡化智能傳感器的硬件結構及特點 5 從智能傳感器高可靠性、低功耗、低成本和微體積等特點出發(fā)，嵌入式微處理器系統(tǒng)是最佳選擇。嵌入式微處理器系統(tǒng)種類很多，如嵌入式微處理器（ Embedded Microprocessor Unit， EMPU）、嵌入式微控制器（ Microcontroller Unit， MCU）和嵌入式 DSP 處理器（ Embedded Digital Signal Processor， EDSP）等。其中， EMPU 具有體積小、重量輕、成本低的優(yōu)點，可在電路板上外置 ROM、 RAM 和各種外設等器件，擴充系統(tǒng)功能與資源； MCU 的特點是計算機系統(tǒng)單片化，因而體積小、功耗和成本低、可靠性高且片上外設資源豐富，比較適合于控制； EDSP 則嵌入了 DSP 處理器，特點是編譯效率較高，指令執(zhí)行速度高，適合運算量較大（如向量 運算、指針線性尋址等較多）的場合，但價格較高。本項目研究將以 EMPU 為核心，采用集成多種外設的嵌入式系統(tǒng)，通過連接傳感單元和網(wǎng)絡接口單元來實現(xiàn)，這樣在已有的嵌入式系統(tǒng)平臺上，根據(jù)自己的需要，進行軟硬件剪裁，即加快了開發(fā)進度，也提高了系統(tǒng)可靠性。 網(wǎng)絡接口單元的特點 網(wǎng)絡接口單元是實現(xiàn)傳感信息與網(wǎng)絡接入的關鍵。為了使智能傳感器能就近接入到 Inter/Intra 中，本設計選用公開、通用的 TCP/IP 協(xié)議，并將此協(xié)議庫嵌入到此網(wǎng)絡接口單元中，使微控制器能直接控制此網(wǎng)絡接口單 元，并運用 TCP/IP 協(xié)議，實現(xiàn)傳感器信息與 Inter/Intra 的聯(lián)接。由于現(xiàn)場級的智能傳感器的軟、硬件資源畢竟有限，還要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的軟件處理功能，因此，對于傳感信息量大、實時要求性高的應用場合，完全利用軟件實現(xiàn)協(xié)議難以達到要求。一般采用專用的網(wǎng)絡模塊實現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)議（內嵌有以太網(wǎng)控制芯片），利用 SOC（ System on Chip）等新一代嵌入式技術設計通信接口單元硬件。 宿州學院 2022 屆畢業(yè) 論文 網(wǎng)絡化智能傳感器的軟件結構及特點 6 3 網(wǎng)絡化智能傳感器的軟件結構及特點 有了硬件作為基礎，軟件的設計就有了針對性。對于嵌入式網(wǎng)絡開發(fā)平臺，不需要象單片機那樣用匯編語言進行編程，而是直接用高級語言 C 或 C++編程。為了接入 Inter，除了以太網(wǎng)控制芯片還是不夠的，它只完成了底層的協(xié)議轉換。這就需要 TCP/IP 協(xié)議庫的支持，由它來完成上層協(xié)議的轉換。 例如 運行了一個實時多任務操作系統(tǒng) RTOS（ Real Time Operation System）。編制的所有程序都是在 RTOS 下運行的，它大大提高了可靠性和實時性，用多任務來實現(xiàn)多處理器的功能。還 可 按 IEEE 和 IEEE 對 網(wǎng)絡化 智能傳感器接口進行一些標準化改造。 TCP/IP 協(xié)議庫 在談到協(xié)議時，往往要對它進行分層認識。 TCP/IP 協(xié)議并不具有開放系統(tǒng)互聯(lián)模型基本參考模型 OSI/RM（ Open Systems Interconnection Reference Model）所規(guī)定的七層結構，即：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、運輸層、會話層、表示層和應用層。 TCP/IP 協(xié)議通常被認為是一個四層協(xié)議系統(tǒng)。 應用層是原理體系結構中的最高層。它確定進程之間通訊 的性質以滿足用戶的需要，負責處理特定的應用程序細節(jié)。一些通用的應用程序包括 Tel 遠程登陸， Ftp 文件傳輸協(xié)議， SMTP 簡單郵件傳輸協(xié)議等等。在本設計的應用程序中使用了 Webserver 網(wǎng)頁服務器的功能，它是通過應用程序中的公共網(wǎng)關接口 CGI 函數(shù)對發(fā)布在網(wǎng)絡上的網(wǎng)頁進行數(shù)據(jù)更新以及對終端用戶的操作做出響應。 運輸層是為兩臺主機上的應用進程提供端到端的通訊服務。它包括兩個互不相同的協(xié)議，即面向