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隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和大數(shù)據(jù)大潮撲面而來(lái)，智能傳感器的影響力也越來(lái)越大。不管是最新的智能手表的出現(xiàn)，還是恒溫器能夠?qū)W習(xí)房主的習(xí)慣、并據(jù)此自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱和空氣調(diào)節(jié)，以及電表的無(wú)線發(fā)射，或者是智能手機(jī)APP能夠在車(chē)庫(kù)門(mén)忘記關(guān)閉時(shí)提供報(bào)警，智能儀表在完成數(shù)據(jù)的采集并使其具有可用性方面都起到了重要作用。
傳統(tǒng)儀表，比如，熱電偶、熱電阻、應(yīng)力計(jì)、線性可變差動(dòng)傳感器（LVDT）以及流量計(jì)，測(cè)量的都是用于監(jiān)視和控制過(guò)程的物理參數(shù)。很多這樣的設(shè)備，輸出低電平模擬量信號(hào)，這就需要精確的信號(hào)調(diào)制功能，這樣儀表才能保持所采集信號(hào)的關(guān)鍵信息。信號(hào)調(diào)制功能包括傳感器的勵(lì)磁、信號(hào)放大、防失真濾波器、低通和高通濾波器、線性化、以及被經(jīng)常忽視但是非常關(guān)鍵的功能——隔離。在信號(hào)調(diào)制完成后，傳感器信號(hào)可以通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器完成數(shù)字化，并由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)做進(jìn)一步的處理。
片上系統(tǒng)
電子技術(shù)的發(fā)展，正在快速改變著利用傳感器采集過(guò)程數(shù)據(jù)的方式。微控制器和微處理器已經(jīng)變得非常復(fù)雜，集成了通訊接口、激勵(lì)源、高分辨率的模數(shù)（A-D）和數(shù)模（D-A）轉(zhuǎn)換器、通用離散I/O、快速架構(gòu)、更多的支持系統(tǒng)以及低功率模式。這一般被稱(chēng)之為SoC，或者片上系統(tǒng)，這些微小的設(shè)備，在性能上超過(guò)以往完整或一半大小的ISA和PCI卡解決方案，但是在費(fèi)用上要降低很多。集成了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的微控制器，可以被封裝到2mm × 3mm大小的芯片內(nèi)。
這一切，對(duì)于智能傳感器和數(shù)據(jù)采集來(lái)講，意味著什么？智能傳感器分析所采集到的測(cè)量數(shù)據(jù)，并根據(jù)被測(cè)量的物理參數(shù)做出決策，而最重要的是，它還能實(shí)現(xiàn)通訊功能。就地的計(jì)算能力使得自我測(cè)試、自我校準(zhǔn)、消除部件隨著時(shí)間和溫度的變化所產(chǎn)生的漂移、遠(yuǎn)程升級(jí)和重新組態(tài)成為可能。
■ 圖中所示為智能感應(yīng)、分布式信號(hào)處理與隔離裝置以及Dataforth MAQ20 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該公司提供的智能感應(yīng)解決方案，從在嚴(yán)酷工業(yè)環(huán)境下保持信號(hào)的完整性到為客戶的測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用提供簡(jiǎn)單、快捷的解決方案，信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，以及數(shù)據(jù)通訊產(chǎn)品。圖片來(lái)源：Dataforth
分布廣泛
低成本和低功耗的電子產(chǎn)品，使得信號(hào)調(diào)制可以在更靠近傳感器的地方、甚至是傳感器芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)。這就使得處理能力，可以分布在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任何地方，因此就可以獲得更多的信號(hào)處理能力，而這在以前根本是不可能的。系統(tǒng)具有更大的靈活性，而且可以升級(jí)擴(kuò)充，傳感器芯片也更牢固，因此系統(tǒng)就具有更高的可靠性。
以前的老系統(tǒng)，傳感器連接所需的雙絞線必須小心處理，附加特定的屏蔽接地要求，然后結(jié)扎成束走線；現(xiàn)在，只需很少的電纜就可以連接多個(gè)傳感器，而且不需要嚴(yán)格的走線和屏蔽。利用智能傳感器，低電平模擬量信號(hào)的電纜可以非常短，因此可以避免環(huán)境電磁干擾信號(hào)耦合到信號(hào)電纜中，這樣就可以維持信號(hào)的完整性。當(dāng)被調(diào)制的傳感器數(shù)據(jù)格式和智能傳感器通訊標(biāo)準(zhǔn)確定了，各種傳感器所測(cè)量的物理參數(shù)就可以通用了。
智能傳感器
智能傳感器使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更容易設(shè)計(jì)、使用和維護(hù)。也許，智能傳感器被認(rèn)為是一個(gè)分立元件，就像使用了集成電子元件的熱電偶或加速計(jì)一樣，但是從廣義來(lái)講，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)級(jí)別的智能傳感和智能信號(hào)處理也獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。過(guò)去，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般依賴(lài)于安裝在主機(jī)上的計(jì)算機(jī)軟件，來(lái)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算?，F(xiàn)在，單個(gè)信號(hào)處理器的輸入和輸出模塊，同時(shí)連接1到32個(gè)傳感器，就可以在遠(yuǎn)離主機(jī)的模塊內(nèi)完成信號(hào)處理功能。
在就地可以對(duì)信號(hào)監(jiān)視實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，并且當(dāng)信號(hào)值達(dá)到限值時(shí)，執(zhí)行預(yù)設(shè)的動(dòng)作。在嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境應(yīng)用中，高性能的信號(hào)調(diào)制器，可以提供傳感器信號(hào)隔離，在瞬態(tài)工況時(shí)為傳感器提供保護(hù)，比如靜電釋放（ESD）或二次累計(jì)以及極端過(guò)電壓等。
用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的片上系統(tǒng)微控制器和微處理器中，已經(jīng)集成了一些經(jīng)由以太網(wǎng)、USB、CAN和其它現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)完成通訊的外圍設(shè)備。更快的處理器、支持計(jì)算功能、就地內(nèi)存運(yùn)行控制功能，比如線性-積分-微分（PID）算法，能夠在系統(tǒng)控制模塊內(nèi)保存、執(zhí)行和運(yùn)行的同時(shí)，完成I/O模塊和主機(jī)軟件的通訊。
現(xiàn)在有一種趨勢(shì)，很多系統(tǒng)逐步轉(zhuǎn)向單機(jī)系統(tǒng)功能，不再依賴(lài)于主機(jī)系統(tǒng)來(lái)運(yùn)行應(yīng)用軟件。數(shù)據(jù)采集和控制功能完全在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)用軟件內(nèi)完成，用戶接口非常簡(jiǎn)單，而且在世界上的任何地方通過(guò)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器都可以瀏覽。
當(dāng)然，智能傳感器也有其缺點(diǎn)：電子元器件和傳感器的集成增加了系統(tǒng)的成本。當(dāng)改造現(xiàn)有裝置時(shí)，改線的工作量比較大。新硬件和系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行有其學(xué)習(xí)曲線。安全和滿足監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)的要求，也可能限制智能傳感器的應(yīng)用。每個(gè)應(yīng)用都需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的分析，以衡量成本和收益。但是總的來(lái)說(shuō)，智能傳感器和智能系統(tǒng)正在改變數(shù)據(jù)采集的方式及其在應(yīng)用系統(tǒng)中的使用。
更準(zhǔn)確的大數(shù)據(jù)采集
在工業(yè)應(yīng)用、生產(chǎn)制造、實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)藥應(yīng)用以及家庭生活中，對(duì)更多數(shù)據(jù)的需求是無(wú)所不在的。數(shù)據(jù)被用于實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化和擴(kuò)展功能。數(shù)據(jù)分析可以提供系統(tǒng)部件的健康狀況、過(guò)程工藝的效率和故障情況。
智能傳感器和智能感應(yīng)是數(shù)據(jù)采集和處理的發(fā)展趨勢(shì)。智能傳感器可以實(shí)現(xiàn)更精確、更有效和更為廣泛的數(shù)據(jù)采集。在嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境下，智能感應(yīng)解決方案，可以為客戶的測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用提供快速和便捷的解決方案。能提供幫助的產(chǎn)品包括信號(hào)調(diào)制模塊、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)通訊產(chǎn)品。這些產(chǎn)品，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中消除了模擬問(wèn)題，并為數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)提供了更好的用戶體驗(yàn)。（作者：John Lehman）
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