第14章传感器新技术及其应用 ·319- 来自传感器信号 概念生成 信号调理 描述 模糊算子 A-D校正及补偿 定性比较 「修正 决策 符号化测量结果 数值刚量钻果 (x 图144有导师学习功能的模糊传感器原理框图 由图可以看出，有导师学习功能的基本原理是基于比较导师和传感器对于同一被测 值x的定性描述的差别进行学习的。对同一被测值x,如果导师的语言符号描述为(x), 模糊传感器结构的描述为(x),则1(x)与(x)进行比较，结果如下： 1)I(x2(x),则e=正，那么μ=增加。 2)I(x(x),则c=负，那么μ=减少。 3)1(x=(x),则e=0,那么μ=减少. 其中ε是误差，μ为控制量，被控量为概念的隶属函数，控制行为时“增加”“减少“ 和“保持”。“增加”是指隶属曲线向数值小的方向平移或扩展，“减少“是指向数值大 的方向平移或展，保持”是指隶属函数不变。 基于上述有导师学习功能的基本原理，可以看出，实现模糊传感器有导师学习功能 的结构，关键在于导师信息的获取
14 ·319· 图 14-4 有导师学习功能的模糊传感器原理框图 由图可以看出，有导师学习功能的基本原理是基于比较导师和传感器对于同一被测 值 x 的定性描述的差别进行学习的。对同一被测值 x，如果导师的语言符号描述为 l (x)， 模糊传感器结构的描述为 l' (x)，则 l (x)与 l' (x)进行比较，结果如下： 1） l (x)≥ l' (x)，则 e=正，那么 μ=增加。 2） l (x)≤ l' (x)，则 e=负，那么 μ=减少。 3） l (x)= l' (x)，则 e=0，那么 μ=减少。 其中 e 是误差，μ 为控制量，被控量为概念的隶属函数，控制行为时“增加”“减少” 和“保持”。“增加”是指隶属曲线向数值小的方向平移或扩展，“减少”是指向数值大 的方向平移或扩展，“保持”是指隶属函数不变。 基于上述有导师学习功能的基本原理，可以看出，实现模糊传感器有导师学习功能 的结构，关键在于导师信息的获取
·320 传感器技术设计与应用 模湖传感器的概念生成能否产生适合测量数目的准确语言符号量，关系到测量的准 确程度。它相当于模糊控制中的模糊化，但很多方面又有所不同，因此对其转换基础和 方法的研究有重要理论价值和实际意义。 14.3网路传感器 14.3.1网络传感器的概念 随着计算机技术、网络技术与通信技术的迅速发展，控制系统的网络也成为一种新 的潮流。网络化的测控系统要求传感器也具有网络化的功能，因此出现了网络传感器。 网络传感器是指自身内置网络协议的传感器，他可以使现场测控数据就近登临网络，在 网络所能及的范围内实时发布和共享。 网络传感器使传感器由单一功能和已检测向多功能和多检测发展；从就地测量向远 距离实时在线测控发展。网络传感器可以就近接入网络和网络设备实现互联，从而大大 简化了连接线路，易于系统维护，节省投资，同时也是系统更易于扩充， 网络传感器一般有信号采集单元、数据处理单元和网络接口单元组成。这三个单元 可以是采用不同芯片构成的合成式，也可以是单片机结构。基本结构如图145所示
·320· 模糊传感器的概念生成能否产生适合测量数目的准确语言符号量，关系到测量的准 确程度。它相当于模糊控制中的模糊化，但很多方面又有所不同，因此对其转换基础和 方法的研究有重要理论价值和实际意义。 随着计算机技术、网络技术与通信技术的迅速发展，控制系统的网络也成为一种新 的潮流。网络化的测控系统要求传感器也具有网络化的功能，因此出现了网络传感器。 网络传感器是指自身内置网络协议的传感器，他可以使现场测控数据就近登临网络，在 网络所能及的范围内实时发布和共享。 网络传感器使传感器由单一功能和已检测向多功能和多检测发展；从就地测量向远 距离实时在线测控发展。网络传感器可以就近接入网络和网络设备实现互联，从而大大 简化了连接线路，易于系统维护，节省投资，同时也是系统更易于扩充。 网络传感器一般有信号采集单元、数据处理单元和网络接口单元组成。这三个单元 可以是采用不同芯片构成的合成式，也可以是单片机结构。基本结构如图 14-5 所示
第14章传感器新技术及其应用 ·321 信号采集单元 数据处理单元 网络接口单元 图145网络传感器的基本结构 网络传感器的核心是是传感器本身具有网络通信协议。随着电子技术和信息技术的 迅速发展，网络传感器可以通过软件和硬件两种方式来实现。软件方式是指将网络协议 嵌入到传感器系统的ROM中；硬件方式是指采用具有网络协议的芯片直接用做网络接 口。这里需要指出的是：由于网络传感器通常用于现场，它的软、硬件资源及功能较少 要使网络传感器像P℃那样成为一个全功能的网络节点，显然是不可能的，也是没有必 要的。 14.3.2网络传感器的类型 由网路传感器的结构可知，网络传感器研究的关键技术是网络接口技术网络传感器 必须符合某种网络协议，才能使现场测控数据直接进入网络。由于工业现场存在多种网路 标准，因此也就随之发展起来了多种网络传感器，它们各自具有不同的网络接口单元。目 前，要基于现场总线的网络传感器和基于以太网(Ethenet)协议的网络传感器两大类 14.3.2.1基于现场总线的网络传感器 现场总线是在现场仪表智能化和全数字控制系统的需求下产生的。其关键标志是支
14 ·321· 图 14-5 网络传感器的基本结构 网络传感器的核心是是传感器本身具有网络通信协议。随着电子技术和信息技术的 迅速发展，网络传感器可以通过软件和硬件两种方式来实现。软件方式是指将网络协议 嵌入到传感器系统的 ROM 中；硬件方式是指采用具有网络协议的芯片直接用做网络接 口。这里需要指出的是：由于网络传感器通常用于现场，它的软、硬件资源及功能较少， 要使网络传感器像 PC 那样成为一个全功能的网络节点，显然是不可能的，也是没有必 要的。 由网路传感器的结构可知，网络传感器研究的关键技术是网络接口技术。网络传感器 必须符合某种网络协议，才能使现场测控数据直接进入网络。由于工业现场存在多种网络 标准，因此也就随之发展起来了多种网络传感器，它们各自具有不同的网络接口单元。目 前，要基于现场总线的网络传感器和基于以太网（Ethenet）协议的网络传感器两大类。 14.3.2.1 基于现场总线的网络传感器 现场总线是在现场仪表智能化和全数字控制系统的需求下产生的。其关键标志是支
·322 传感器技术设计与应用 持全数字通信，其主要特点是高可靠性。它可以把所有的现场设备（如仪表、传感器或 执行器）与控制器通过一根线缆连接，形成一个数字化通信网络，完成现场状态监测、 控制、远传等功能。传感器及仪表智能化的目标是信息处理的现场化，这也正式现场总 线技术的目标，也是现场总线不同于其他计算机通信技术的标志。 由于现场总线技术的优越性，在国际上成为一个研究开发的热点。各大公司都开发 出了自己的现场总线产品形成了自己的标准，目前，常见的标准有LONWORKS、CAN, PROFIBUS和FF等数十种，它们各具特色，在各自不同的领域都得到了很好的应用 但是，基于现场总线技术的网络传感器也面临着诸多问题。问题的主要原因是多种现场 总线标准并存又互不兼容。不同厂家的智能传感器又都来用各自的总线标准，从而导致 不同厂家的智能传感器不能互换的问题。这严重影响了现场总线式网络传感器的应用， 为了解决这-问题，美国国家技术标准局(The National Institute of Standard Technology NST)和EEE联合组织了一系列专题讨论会来商讨网络传感器通用通信接口问题，并 制定了相关标准，向全世界公布发行。这就是EEE1451智能变送器接口标准。制定EEE 1451的目标就是要为基于各种现场总线的网络传感器和现有的各种现场总线提供通用的 接口标准，是变送器能够独立于网络与现有微处理器系统，使基于各种现场总线的网路 传感器与各种现场总线网络实现互联，这有利于现场总线式网络传感器的发展与应用。 14.3.2.2基于以太网的网络传感器
·322· 持全数字通信，其主要特点是高可靠性。它可以把所有的现场设备（如仪表、传感器或 执行器）与控制器通过一根线缆连接，形成一个数字化通信网络，完成现场状态监测、 控制、远传等功能。传感器及仪表智能化的目标是信息处理的现场化，这也正式现场总 线技术的目标，也是现场总线不同于其他计算机通信技术的标志。 由于现场总线技术的优越性，在国际上成为一个研究开发的热点。各大公司都开发 出了自己的现场总线产品，形成了自己的标准。目前，常见的标准有 LONWORKS、CAN、 PROFIBUS 和 FF 等数十种，它们各具特色，在各自不同的领域都得到了很好的应用。 但是，基于现场总线技术的网络传感器也面临着诸多问题。问题的主要原因是多种现场 总线标准并存又互不兼容。不同厂家的智能传感器又都来用各自的总线标准，从而导致 不同厂家的智能传感器不能互换的问题。这严重影响了现场总线式网络传感器的应用。 为了解决这一问题，美国国家技术标准局（The National Institute of Standard Technology, NIST）和 IEEE 联合组织了一系列专题讨论会来商讨网络传感器通用通信接口问题，并 制定了相关标准，向全世界公布发行。这就是 IEEE 1451 智能变送器接口标准。制定 IEEE 1451 的目标就是要为基于各种现场总线的网络传感器和现有的各种现场总线提供通用的 接口标准，是变送器能够独立于网络与现有微处理器系统，使基于各种现场总线的网络 传感器与各种现场总线网络实现互联，这有利于现场总线式网络传感器的发展与应用。 14.3.2.2 基于以太网的网络传感器