网络化智能传感器研究.doc
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1、 摘 要 传感器作为一种获取信息的重要工具,在工业生产、科学技术等领域发挥着重大的作用。但随着微处理器技术的迅猛发展以及测控系统自动化、智能化的发展,传感器远远赶不上计算机的发展速度。因此传统的传感器已与各种微处理器相结合,并连入网络,形成了带有信息检索、信号处理、逻辑思维等一系列功能的智能传感器。针对当前各领域中传感器的微型化、智能化、网络化的发展趋势,从网络化智能传感器的结构和特点入手,论述了一种基于TCP/IP协议的网络化智能传感器的软、硬件设计要求。关键词:网络接口单元 TCP/IP协议 Web服务器9Abstract As a kind of sensor information i
2、mportant tool, in industrial production, science and technology, etc and plays a great role. But along with the rapid development of microprocessor technology and measurement and control system, automatic and intelligent development, behind the development of the computer sensor speed. So the tradit
3、ional sensor has combined with all kinds of microprocessor, and connected to any network, formed with information retrieval, signal processing, logical thinking and a series of function of intelligent sensor. In view of the current every field of sensors in miniaturization, intelligence, and the tre
4、nd of the development of the network, intelligent sensor network from the structure and characteristics of, this paper discusses a based on TCP/IP network of intelligent sensor of the software and hardware of the design requirements.Key words : The network interface unit TCP/IP protocol Web server目
5、录引言11 网络化智能传感器的发展及现状21.1 网络化智能传感器的发展21.2 网络化智能传感器的现状22 网络化智能传感器的硬件结构及特点42.1 敏感元件的特点42.2 信号处理部分的特点42.3 处理器部分的特点42.4 网络接口单元的特点53 网络化智能传感器的软件结构及特点63.1 TCP/IP 协议库63.2 Web 服务器 Webserver63.3 实时多任务操作系统 RTOS74 结束语10参考文献11引言 随着以微电子技术为基础的计算机技术、网络技术、通信接口技术和检测技术、工智能技术的发展,微型处理控制器正在向着单片化、微型化、综合化、高性能价格比的方向发展,特别是综合
6、了在片的程序数据存储器、ADC转换和IO接口功能的单片机的出现,已经在智能化仪表中获得广泛应用,也为智能传感器的设计和实现提供了坚实的物质基础。采用最新IC技术,将信号检测、信号处理和控制电路集成到单个的芯片上,实现将微处理芯片嵌入传感器内部,不仅能大大提高传感器的性能,并能扩展传感器的功能,从而实现传感器的智能化。 与传统的输出模拟信号传感器相比,智能传感器能在芯片内部实现对原始数据的检测和加工处理,并且可以通过标准的接口与外界实现数据交换,以及根据实际的需要通过软件控制改变传感器的工作,从而实现智能化。同时,智能传感器在它内部采用软件和硬件综合方法实现传感器信号的校准、温度补偿、线性计算和
7、减小漂移等功能,而不像传统传感器使用复杂专用硬件线路完成对传感器信号的滤波、调零、补偿等功能。所以智能传感器具有更高准确性和更好的稳定性与可靠性,并且综合成本更为便宜,使用更为方便。由于使用标准现场总线或其他标准总线接口,智能传感器具有良好的开放性、扩展性,给系统的扩充带来了很大的发展余地。智能传感器概念的产生和发展是一个不断“与时俱进”的过程,经历一个内涵不断丰富的过程,它不仅仅是将单片机嵌入到传感器中实现模拟信号转换为数字信号,而且要实现温度补偿、修正、校准,同时利用AD变换器将模拟信号转换数字信号,它不是简单的硬件构成,而是通过硬软件综合技术的运用,对信号进行处理,输出数字信号。 随着“
8、现场总线”概念的出现及其应用技术的发展,工业测量和控制中信息的交换主要是通过现场总线和Internet等网络来完成,为了实现多传感器之间的信息交换,有必要将传感器内各个敏感单元及其功能单元联系在一起,通过软件输出符合某种协议格式的数字信号,从而可实现传感器与传感器之间、传感器与执行器之间、传感器与系统之问的数据交换和共享,其未来发展方向就是网络化智能传感器。宿州学院2012届毕业论文 网络化智能传感器的发展及现状1 网络化智能传感器的发展及现状1.1 网络化智能传感器的发展网络化智能传感器的发展大致可分为3个阶段:第一阶段的传感器网络采用的网络技术是点对点结构,接口标准如电流环和 15V信号为
9、传感器和控制信息到达或离开传感器或执行器提供了一种方法。伴随着微处理器的开发日趋成熟,传感器网络的发展也开始进入第二阶段。微处理器在传感器领域中的应用使传感器节点的智能水平不断提高,原先的通讯技术过于简单已不能满足需求。同时一些数据标准如 RS232、RS422、RS485 的研究极大地刺激了新型传感器网络产品的开发成功,而且这一阶段的传感器网络已从简单的连接到形成了真正具有拓扑结构的网络。在此阶段传感器网络发展取得的最大进步是源于1983 年 Intel 公司推出 BITBUS 和 8044 微控制芯片。BITBUS 能使高级别产品通过其远程访问命令而实现通讯和信息处理的能力。此外 BITB
10、US 将一个小的实时内核封装于 8044 中,第一次将传感器总线布于一个产品之中,用于连接传感器或执行器,代替原来的直接连线。传感器网络的第三阶段所采用的技术都源于 80 年代美国通用汽车公司使用的生产自动化协议 MAP(Manufacturing Automation Protocol),它允许实时数据和信息在联网元器件间交换。一些小型的网络如 Profibus 就是在此基础上产生的,而紧接着出现的各种工业现场总线又使传感器网络的发展迈了一大步。首先是 HART 协议,它是一种加工工业协议,用于 Smart 仪器同时进行数字和模拟量通讯,它的开发使人们意识到,传感器或执行器系统的互可操作性和
11、宽范围内的内部连接性对于标准化的需求要远高于通讯系统的需求,于是便出现了设备描述语言 DDL(Device Description Language),它允许应用程序与它以前未应用过的设备进行交互,这是通过查询元器件功能的书面描述来实现的,这种技术已被后来的许多现场总线技术所使用。在这个发展阶段还有一个变革是 C/S(客户/服务器)模式向 P/S(发布/订阅)模式的转变。传统的传感器网络一般采用 C/S 结构,应用程序与传感器通过一对一的请求和响应进行交互,而 P/S 模式则使信息在网络上对于所有的设备和应用程序都是有用的,大大提高网络的使用效率,提高了传感器网络的可靠性。90 年代以来,In
12、ternet 已遍布世界各地,这也使得传感器网络不再局限于现场总线方向的开发,人们开始尝试将传感器象其它网络终端一样作为网络节点接入到 Internet 中来,因此便出现了嵌入 TCP/IP协议的网络传感器,通过此类传感器的接口,可直接与 Internet 相连,这样就可在Internet 上的其它终端上对传感器进行远程数据访问、信息实时发布与共享,以及对其进行在线编程。1.2 网络化智能传感器的现状 传感器网络的发展仍处于不成熟的阶段,主要表现在缺乏标准和规范方面。在现场总线方面,传感器网络构成的基于各种现场总线标准的分布式测量和控制系统DMCS(distributed measuremen
13、t and control system)所采用的控制总线网络多种多样,千差万别,内部结构、通讯接口、通讯协议各不相同,如 Foundation Fieldbus、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dupline 等。由于每种总线标准都有自己规定的协议格式,相互之间互不兼容,这使得用户经常面对在选择了满足精度要求的传感器时,却发现它不适合自己已有的总线形式,或者适合总线形式的传感器却满足不了精度要求的尴尬局面。因此需要一个关于智能传感器网络接口的开放式标准来统一传感器网络的发展方向。在 Internet 方面,由于现有的网络技术已十分成熟,只要开发的智能传感器网络接口能支持
14、 Internet 协议,便能实现与 Internet 的无缝接入。目前也没有专门给传感器接入 Internet 使用的协议,研究使用的是一种嵌入式 TCP/IP 协议。这种嵌入式TCP/IP 协议是在原有 TCP/IP 协议的基础上进行裁减、增删组成的,这样既节省了网络传感器宝贵的资源,又能实现功能。宿州学院2012届毕业论文 网络化智能传感器的硬件结构及特点2 网络化智能传感器的硬件结构及特点 网络化智能传感器的结构大致可分为敏感元件、信号处理理部分、微处理器单元和网络接口单元。其中,敏感单元将被测信号转化成电信号;信号调理单元完成信号的模拟滤波、放大和模数转换等预处理功能;微处理器单元是
15、智能传感器的核心,主要完成信号数据的采集、处理(如数字滤波、非线性补偿、自诊断)和数据输出调度(包括数据通信和控制量本地输出)等工作;网络接口单元则实现传感器与网络的连结,负责将传感器信息按网络传输格式传到网络上去,同时也接收网上发来的信息进行解读以对传感器进行自身设置或做出相应响应。2.1 敏感元件的特点 敏感元件在整个系统中扮演的是“感官”的角色,就象人的五官一样,它将外界的各种信号转换成传感器系统能理解的信号。按传感单元的不同,传感器可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。物理传感器是发展最早、种类最多的一类传感器,它主要是将物理世界的各种物理量如力、位移、流量和温度等等通过其敏感单元
16、转换为电或光的物理量,其转换动作采用的是物理效应,如双金属片的受力弯曲,压强的作用以及一些敏感元件受力后产生的光电反应等等。化学传感器则是通过化学效应来进行测量外界变量的,如能检测各种离子(H+,Na+,K+等)的离子传感器,测量各种可燃气体(CO,H2,O2 等)的气体传感器和检测湿度的湿度传感器。生物传感器最初是指用来检测有机物的传感器,随着生物工程技术的发展,其概念不断被修正和更新,现在称“以固定化的生物体成分或生物体本身作为敏感元件的传感器为生物传感器”,例如酶传感器、微生物传感器和免疫传感器分别涉及到了酶、蛋白质、微生物细胞核生物体组织等等。2.2 信号处理部分的特点 信号处理单元在
17、整个系统中扮演的是“神经”的角色,就象人的神经一样,当人的五官感受到外界的各种信息后,并不是所有的信息都直接传送给了大脑,而是经过人类神经筛选和抽取的。在信号传送和记忆时,由于噪声的混入和系统的特性不完整等会产生某种信号畸变。为了既正确地传送,又正确地记亿,应对畸变的信号进行修复。为此必须进行信号的某些处理。信号调理单元就是完成对传感单元采集来的信号进行模拟滤波、放大和模数转换等处理。在智能传感器的信号调理单元往往需要模数转换单元,将经过模拟滤波放大的信号转换为数字信号再传给微处理单元进行进一步处理。模数转换器一般要考虑的是其转换速度和转换精度。转换速度可视微处理器速度而定,而转换精度则是现场
18、要求而定,一般在 10 位以上。2.3 处理器部分的特点微处理单元是智能传感器的核心,主要完成信号数据的采集、处理(如数字滤波、非线性补偿、自诊断)和数据输出调度(包括数据通信和控制量本地输出)等工作。从智能传感器高可靠性、低功耗、低成本和微体积等特点出发,嵌入式微处理器系统是最佳选择。嵌入式微处理器系统种类很多,如嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit,EMPU)、嵌入式微控制器(Micro-controller Unit,MCU)和嵌入式 DSP 处理器(Embedded Digital Signal Processor,EDSP)等。其中,EMPU 具有
19、体积小、重量轻、成本低的优点,可在电路板上外置 ROM、RAM 和各种外设等器件,扩充系统功能与资源;MCU 的特点是计算机系统单片化,因而体积小、功耗和成本低、可靠性高且片上外设资源丰富,比较适合于控制;EDSP 则嵌入了 DSP 处理器,特点是编译效率较高,指令执行速度高,适合运算量较大(如向量运算、指针线性寻址等较多)的场合,但价格较高。本项目研究将以 EMPU 为核心,采用集成多种外设的嵌入式系统,通过连接传感单元和网络接口单元来实现,这样在已有的嵌入式系统平台上,根据自己的需要,进行软硬件剪裁,即加快了开发进度,也提高了系统可靠性。2.4 网络接口单元的特点 网络接口单元是实现传感信
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