气体传感器智能校验仪设计.doc

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1、气体传感器智能校验仪设计1、相关定义1.1、指令流程图及相关概念 在定义 2.1 中,我们给出了 CFG 的定义,在本章中,为了更好地描述,首先进 行如下的定义。 定义 3.1:CFG 的主节点 MN (Master Node)和从节点 SN (Slave Node). 对于u , v V (CFG ) ,设集合P (u , v )= Pi ( u, v)|1 i n 表示从u 到v所有可能的有 向轨,若对于 u, v V (CFG ) ,如果任意iP ( ventry , vexit ) 总含有u , v 且P ( u, v ) 不唯一,则u 称 为 v 的 MN , 而 v 称 为 u 的

2、 SN . 特 别 地 , 如 果 存 在e E (CFG ) , 当 e= E ( u, v)| u, v V ( CFG ) 时,则u 称为v的 DMN (Direct Master Node),而v称为u 的 DSN (Direct Slave Node);如果不存在w ,使得w 是u 的 SN,且w是v的 MN, 则称u 为v的关联主节点 AMN (Associated Master Node),记作u= AMN ( v ) ,同样v 为u 的关联从节点 ASN (Associated Slave Node),记作v= ASN ( u ) . 定义 3.2:控制流程树 CFT(Cont

3、rol Flow Tree)。 若树 T 是 CFT,则: T 是有向树,且有向轨的数量P ( ventry , vexit ) 1 ,节点数E ( T ) 3 ; 存在唯一节点ventry V (T ) ,使 Din ( ventry ) = 0 。 任意一个节点的入度Din 1 从 CFT 的定义可以知道,可以使用如下的步骤将 CFG 转换为 CFT,称 CFG 向 CFT 的转化过程为 CFT 迁移: 22 STEP 1:对于 CFG 中任一汇聚节点v ,如果其入度Din (v )= k 大于 1,则删除 CFG 中所有与v相关联的边,添加新的节点api (0 i k ) ; STEP

4、2:对原 CFG 中所有ui (0 i k ) =DMN(v ),在ui (0 i k ) 和api (0 i k ) 之间添加有向边ei= ( u i , v ) ,可以假定添加顺序从右到左; 定义 3.3:分支附加节点 BAN (Branch Additional Node)和汇聚节点附加节点 JAN (Joins Additional Node)。 对于所添加的节点ap i ,如果Dout ( api ) = 0 ,则称此ap i 为分支附加节点 BAN,如 果Dout ( api ) 0 ,则称此ap i 为汇聚节点附加节点 JAN。 定义 3.4:最大张度 LS(Largest Sp

5、an)。 对于点集Es= AMN( w), vexit | w ( CFG ) ,对于任意u , v Es 如果有向轨P (u , v ) 存 在,且其中不含任何w Es ,则称此有向轨上的 JAN 数目为 CFT 的张度。 在图 3.2 中,依据以上迁移过程给出了具体的实例,其中 ap1 和 ap2 为 BAN,ap3 为 JAN,CFT 的最大张度 LS=1。 图 3.2 CFT 迁移例子 1.2、智能传感器的定义和特点并按照一定规律转换成可用输出信号的器件 或装置3。 智能传感器是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器。其主要特 征是将传感器的检测信息功能与微处理器的信息处理功能

6、有机地融合在一起,具有 一定的人工智能作用。在英国称其为”Intellgent Sensor”,而在美国称其为”Smart Sensor”,即”灵巧的,聪明的传感器”。带有微处理器智能传感器通常有两种情况, 2 一种是将传统传感器与微处理器集成在一个芯片上构成”单片智能传感器”;另一种 是传统传感器结合微处理器构成单板系统。 从使用角度来说,传感器的准确性、稳定性和可靠性是主要的。通常情况下, 一个通用的检测仪器只能用来探测一种物理量,其信号调节是由那些与主探测部件 相连接着的模拟电路来完成的;但智能化传感器却能够实现所有的功能,而且其精度 更高、性价比更高、处理质量也更好。与传统的传感器相比

7、,智能化传感器具有以 下优点4: (1) 智能化传感器不但能够对信息进行处理、分析和调节,能够对所测的数值及 其误差进行补偿,而且还能够进行逻辑思考和结论判断,能够借助于一览表对非线 性信号进行线性化处理,借助于软件滤波器滤波数字信号。此外,还能够利用软件 实现非线性补偿或其它更复杂的环境补偿,以改进测量精度。 (2) 智能化传感器具有自诊断和自校准功能,可以用来检测工作环境。当工作环 境临近其极限条件时,它将发出告警信号,并根据其分析器的输人信号给出相关的 诊断信息。当智能化传感器由于某些内部故障而不能正常工作时,它能够借助其内 部检测链路找出异常现象或出了故障的部件。 (3) 智能化传感器

8、能够完成多传感器多参数混合测量,从而进一步拓宽了其探测 与应用领域,而微处理器的介人使得智能化传感器能够更加方便地对多种信号进行 实时处理。此外,其灵活的配置功能既能够使相同类型的传感器实现最佳的工作性 能,也能使它们适合于各不相同的工作环境。 (4) 智能化传感器既能够很方便地实时处理所探测到的大量数据,也可以根据需 要将它们存储起来。存储大量信息的目的主要是以备事后查询,这一类信息包括设 备的历史信息以及有关探测分析结果的索引等。 (5) 智能化传感器备有一个数字式通信接口,通过此接口可以直接与其所属计算 机进行通讯联络和交换信息。此外,智能化传感器的信息管理程序也非常简单方便, 譬如,可

9、以对探测系统进行远距离控制或者在锁定方式下工作,也可以将所测的数 据发送给远程用户等。 3 1.3、智能传感器功能定义 随着测控技术的发展,计算机成为了控制核心,同时也推动了传感技术的发 展,主要体现在:一是大力改进传统传感器的性能,采用高精度高稳定度的元器件 以及各种校正电路,使传感器特性得到了一定的改善;二是采用数字化仪表作为传 感器与计算机之间的接口,将传感器输出的模拟信号转换为数字信号并作相应的 预处理后再传送给计算机,这样,虽然在一定程度满足了计算机测控系统对信息 采集系统高精度和数字化的要求,但由于未把传感器与数字化仪表作为一个整体 设计,致使对传感器元器件的要求提高、电路复杂化、

10、信息采集系统的体积增大, 安装困难及传感器与数字化仪表间仍以模拟信号联系等问题。 当计算机测控系统发展到基于现场总线的分布式测量时,对传感器提出了数 字化、智能化的要求后,传统传感器己不再与系统相适应。基于现场总线的分布 式测量和控制系统要求传感器输出的数字信号具备较强的信息处理和自我管理的 能力,以实现信息的采集与信息的预处理下放到现场,减轻控制计算机的数据处 理负担和提高整个测控系统的可靠性,而计算机则着重于信息的高层次加工和处 理,便于在现有硬件系统条件下大幅提高系统的性能,简化系统的结构,此时, 智能传感器应时而出。 1、智能传感器简介 智能传感器系统是一门正在蓬勃发展的、涉及微机械与

11、微电子技术、计算机 18 技术、信号处理技术、电路与系统、传感技术、神经网络技术及模糊理论等多种 学科的综合性技术,是当今世界正在发展的高新技术早期人们机械的强调将传感 器与微处理器两者紧密结合,简单片面地认为只要在工艺上将传感器与微处理器 两者结合、将敏感元件及信号调理电路与微处理器集成在一块芯片上就是智能传 感器。后来随着以传感器系统发展为特征的传感器技术的发展,人们逐渐发现传 感器若没有赋予足够的智能的结合,只能说传感器微机化。于是进而认为成为智 能传感器的关键是传感器(通过信号调理电路)与微处理器/微型计算机赋予智能的 结合,兼有信息检测与信息处理的功能。这种说法突破了传感器与微处理器

12、结合 必须在工艺上集成在一块芯片上的框框。 另一方面,工业现场总线控制系统中的传感/变送器,都是带微处理器的智能 传感/变送器,它们是体形较大的装置。随着人工智能技术在智能传感系统中的应 用,有的学者更进一步强调了其智能化功能,认为”一个真正意义上的智能传感 器,必须 具备学习、推理、感知、通讯,以及管理等功能”,这相当于要具备一个知识 与经验丰富的专家的能力。 2、智能传感器的功能 智能传感器的功能概括起来主要有七个方面: 1)具有自校零、自标定、自校正的功能 2)具有自动补偿的功能 3)能够自动采集数据,并对数据进行预处理 4)能够自动进行检验、自选量程、自寻故障 5)具有数据存储、记忆与

13、信息处理的功能 6)具有双向通讯、标准化数字输出或者符号输出功能 7)具有判断、决策处理功能 目前研制的智能传感器只具有上述功能中的一部分。传统的传感器只能作为 敏感元件,检测物理量的变化,而智能传感器则包括测量信号调理(如滤波、放大、 A/D 转换等)、数据处理以及数据显示等。它几乎包括了仪器仪表的全部功能。可 见智能传感器的功能已延伸到仪器的领域。 随着科学技术的发展,智能传感器的功能将逐步增强,它将利用人工神经网、 人工智能、信息处理技术(如传感器信息融合技术、模糊理论等),使传感器具有更 高级的智能,具有分析、判断、自适应、自学习的功能,可以完成图象识别、特 征检测、多维检测等复杂任务

14、。 19 3、智能传感器的特点 与传统传感器相比,智能传感器的特点是: 1)精度高智能传感器有多项功能来保证它的高精度,如;通过自动校零去除零 点。 2)可靠性与稳定性好智能传感器能自动补偿因工作条件与环境参数发生变化 后所引起的系统特性的漂移。 3)信噪比高、分辨力强由于智能传感器具有数据存储、记忆与信息处理功能 通过软件进行数字滩波、相关分析等处理,可以去除输入数据中的噪声,将有用 信号提取出来。 4) 自适应性强智能传感器具有判断、分析与处理功能,它能根据系统工作情 况决策各部分的供电情况和高/上位计算机的数据传送速率,使系统工作在最优低 功耗状态和传送效率优化的状态。 5)价格性能比低

15、智能传感器所具有的功能靠集成电路工艺和芯片以及强大的 软件来实现的,因此.其价格性能比低。 4、智能传感器实现途径 目前,智能传感器的实现是沿着传感技术发展的三条途径进行的: 1)非集成化实现 非集成化智能传感器是将传统的经典传感器采用非集成化工艺制作的传感器 (仅具有获取信号的功能)、信号调理电路、带数字总线接口的微理器组合为一个整 体而构成的智能传感器系统。 (2)集成化实现 这种智能传感器系统是采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术,利 用硅作为基本材料来制作敏感元件、信号调理电路,以及微处理器单元,并把它 们集成在一块芯片上构成的。这样,使智能传感器达到了微型化,小到可以放在 注射

16、针头内送进血管测量血液流动情况,使结构一体化,从而提高了精度和稳定 性。敏感元件构成阵列后,配合相应图像处理软件,可以实现图形成像且构成多 维图像传感器。这时的智能传感器就达到了它的最高级形式。 (3)混合实现 要在一块芯片上实现智能传感器系统存在着许多棘手的难题。根据需要与可 能,可将系统各个集成化环节(如敏感单元、信号调理电路、微处理器单元、数字 总线接口)以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上,并装在一个外壳里。 5、智能传感器的信息处理 20 实现传感器各项智能化的功能和建立智能传感器系统,是传感器克服自身不 足获得高稳定性、高可靠性、高精度、高分辨率及高自适应能力的必由之路。传 感器与微处理器/微计算机赋予智能的结合所实现的智能传感器系统,都是在最少 硬件的基础上采用强大的软件优势”赋予”智能化功能的。 6、智能传感器的通讯 智能传感器和现场总线是组成 FCS(Fieldbus Control System)的两个核心部分。 现场总线技术是在仪表智能化和