设计控制:智能传感器和数据采集

物联网(IoT)和大数据正在向我们袭来，与此同时，智能传感器对日常生活的影响越来越大。无论是最新款智能手表的推出，还是能了解家庭习惯并据此调整供暖和空调的恒温器，无线广播的电表，还是在车库门开着时发出警报的智能手机应用程序，智能传感器都负责收集数据并随时提供数据。

传统传感器如热电偶、电阻温度探测器(rtd)、应变计、线性可变差动传感器(lvdt)和流量计测量物理参数，并提供监测和控制过程所需的数据。其中许多产生低水平的模拟输出，需要精确的信号调理来保存它们正在收集的关键信息。信号调理功能包括传感器激励、信号放大、抗混叠滤波、低通和高通滤波、线性化，以及一个经常被忽视但却必不可少的特征——隔离。一旦信号调理完成，传感器信号可以使用模数转换器进行数字化，然后由数据采集系统进一步处理。

片上系统

电子技术的发展正在迅速改变使用传感器收集过程数据的方式。微控制器和微处理器已经变得更加复杂，包括通信接口、激励源、高分辨率模拟到数字(A到D)和D到A转换器、通用离散I/O、快速架构、数学支持和低功耗模式。这些小型设备通常被称为SoC或片上系统，其性能优于现有的完整和半长ISA和PCI卡解决方案，且成本大大降低。集成数据转换器的微控制器甚至可以在小到2毫米x 3毫米的包中使用。

那么，这一切对智能传感器和数据采集意味着什么呢?电子技术的这些变化是如何改变数据获取和使用的方式的?

首先，让我们了解一下什么是智能传感器。智能传感器分析收集的测量数据，根据被测量的物理参数做出决策，最重要的是，能够进行通信。本地计算能力可以实现自我测试、自我校准、消除组件随时间和温度的漂移、远程更新和重新配置。

广泛分布的

低成本和低功耗的电子设备允许信号调节发生在更靠近传感器的地方，甚至在传感器包本身内。这使得处理能力可以广泛分布在整个数据采集系统中，从而产生比以前可能的更多的信号处理能力。系统灵活、可扩展，传感器包坚固耐用，可靠性高。长束传感器电线由精心布线的扭曲屏蔽对布线组成，具有特定的屏蔽接地要求，现在可以用连接多个传感器的更少的电线取代，并且不需要严格的布线和屏蔽需求。由于智能传感器的低电平模拟信号线可以很短，避免了耦合到信号线的环境电噪声，并保持了信号的完整性。当有条件的传感器数据格式和智能传感器通信标准被定义时，用各种传感器测量的物理参数变得通用。简而言之，智能传感器使数据采集系统易于设计、使用和维护。

智能传感器

智能传感器可能被认为是具有集成电子器件的智能热电偶或加速度计之类的离散元件，但从更广泛的意义上讲，系统级的智能传感和智能信号处理也随着电子学的进步而迅速发展。数据采集系统通常依靠上位机软件对测量数据进行复杂的计算。现在，单独的信号调理输入和输出模块通常连接到1到32个传感器，并在远离主机的模块内执行信号处理功能。

信号可以在本地监测报警条件，并在达到极限时采取程序化的行动。此外，高性能信号调节器可提供苛刻工业应用所需的基本传感器信号隔离，并防止瞬态事件，如静电放电(ESD)或二次雷击，以及极端过电压。

数据采集系统中的SoC微控制器和微处理器具有集成的外设，用于通过以太网、USB、CAN和其他现场总线进行通信。快速处理器、数学支持和本地内存允许控制功能，如比例-积分-导数(PID)算法驻留并在系统控制模块内执行，并与各个I/O模块和主机计算机软件应用程序的通信并行操作。许多系统正朝着真正的独立能力发展，不需要主机来运行应用软件。数据采集和控制完全包含在数据采集系统中，应用软件运行在系统资源和用户界面上，只需在世界任何地方通过web浏览器即可实现。

成本较高，安全考虑

与任何技术一样，智能传感器也有缺点。电子设备与传感器的集成提高了系统成本。在改造现有设施时，更换线路的成本可能会很大。新的硬件和系统有学习曲线来优化操作。安全性和符合监管标准可能会禁止智能传感器的使用。每个应用程序都需要单独分析成本和收益，但总的来说，智能传感器和智能系统正在改变数据收集的方式，并将在新的和现有的应用程序中发挥作用。

世界渴望更多的数据。这种需求在工业应用、制造业、实验室、医疗应用中无处不在，现在甚至在我们的家中。数据用于自动化流程和扩展功能。数据分析告诉我们系统组件的健康状况、流程的效率和故障情况。

信号的完整性

智能传感器能够实现准确、高效和广泛的数据收集。与以往任何时候相比，智能传感器和智能传感是数据采集和处理的未来。

智能传感解决方案可以在恶劣的工业环境中保持信号的完整性，并为客户提供快速简便的测试和测量应用解决方案。有助于实现这一目标的产品包括信号调理模块、数据采集和控制系统以及数据通信产品，这些产品在保持低成本的同时，具有业内最佳的性能指标。产品消除了系统设计和开发中的模拟问题，并为数据采集和控制提供了更好的用户体验。

- Dataforth工程经理John Lehman;由Mark T. Hoske编辑，他是CFE Media的内容经理，控制工程，mhoske@cfemedia.com．

关键概念

• 智能传感器和数据采集有助于物联网和大数据。
• 片上系统功能将智能分配给传感器。
• 传感器信号的完整性确保了正确的信息。

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