8.2. Функциональные возможности и требования, предъявляемые к «интеллектуальным» датчикам

Интеллект датчиков, как правило, обеспечивает выполнение некоторого подмножества из следующих функций:

• автономный (необслуживаемый) режим работы в течение временных периодов от нескольких часов до нескольких месяцев;

• обработку и хранение больших объемов входных данных;

• высокую стабильность метрологических характеристик в течение длительных интервалов времени;

• устойчивость к воздействию внутренних, внешних помех и сбоев;

• повышение точности датчиков и коррекция погрешностей;

• самотестирование;

• самообучение с элементами искусственного интеллекта;

• коммутация (интерфейсы передачи данных).

К числу дополнительных функций относятся:

• обеспечение повышенной надежности при работе в тяжелых климатических условиях;

• минимизация энергопотребления от автономных гальванических источников питания;

• коррекция погрешности и возможность автокалибровки измерительных каналов;

• аппаратная и программная фильтрация входного сигнала с целью уменьшения помех;

• реализации режима периодической подачи и отключения питания;

• использования сторожевого таймера для предотвращения потери программного управления;

• использование статических оперативных запоминающих устройств (ОЗУ) с резервированием питания;

• герметизация корпуса;

• многократное измерение параметров.

Особое внимание уделяется обеспечению режима минимизации энергопотребления за счет следующих средств:

• использование элементной базы с малым энергопотреблением;

• введение в общую структуру устройства систем управления режимами энергопотребления, например, менеджеров питания;

• выбор минимальной тактовой частоты контроллера;

• использование режимов приостановки, полной остановки или выключения питания во время работы относительно медленнодействующих периферийных устройств;

• использование экономных преобразователей постоянного напряжения.

Поддерживая тенденции все большей автоматизации датчиков, расширения их специализации, минимизации размеров, энергопотребления, стоимости, производители микроэлектроники обеспечивают рынок микропотребляющими микроконтроллерами с малыми размерами, увеличенной скоростью выполнения операций и расширенными функциональными возможностями, например, цифровой обработкой сигналов (ЦОС) непосредственно в микроконтроллере.

Одной из наиболее привлекательных характеристик «интеллектуальных» датчиков является предоставление возможности подключать к одному кабелю несколько датчиков, а также проводить их конфигурирование и диагностику на расстоянии. Удаленное конфигурирование включает в себя такие функции, как настройка на объект, выбор режима работы и частоты переключения, а также задание параметров переключения. В диагностику входят контроль стабильности объекта и состояния сенсора, а также отслеживание слишком слабого сигнала, предупреждающего об опасности полного отказа датчика.

Функции автоматического и предварительного конфигурирования позволяют существенно уменьшить затраты на ввод сетей датчиков в эксплуатацию. Кроме того, благодаря применению единственного проводника с быстроразъемными соединителями, стоимость кабельной проводки в таких системах оказывается зачастую чрезвычайно низкой по сравнению с системами на базе стандартных параллельных линий.

С развитием технологий производства микромеханических систем стало возможным производство сложных «интеллектуальных» датчиков на одном кристалле [102,103]. В датчиках, построенных по данной технологии, физические преобразователи интегрируются с управлением и электронной обработкой сигналов в общем, компактном корпусе [104].

В зависимости от условий применения требования, предъявляемые к преобразовательному блоку ДПА с локальным интеллектом различны. Но в общем случае, процессорные преобразователи датчиков физических величин должны удовлетворять следующим требованиям:

1. Наличие АЦП (10 бит и более); возможность установки и регулировки диапазонов входных сигналов; возможность многоканальной обработки аналоговых сигналов (наличие мультиплексора для многофункциональных датчиков).

2. Питание от одного источника (или от двух, но с общей точкой); низкий уровень энергопотребления (менее 3–5 мА); наличие энергосберегающих режимов работы процессора.

3. Выполнение функций математического преобразования; наличие ядра, для которого имеются распространенные средства отладки и опыт разработки программ (например, ядро С51).

4. Наличие внутренней памяти (не менее 4 кбайт); возможность загрузки модифицированных программ в память (с компьютера по сети или с переносного пульта) без удаления самого блока памяти из преобразователя; наличие энергосберегающей памяти (для запоминания нормирующих параметров).

5. Возможность передачи результатов измерений, а также связи с другими устройствами по шинному интерфейсу (Fieldbus, Profibus и др.).

6. Возможность организации локального вывода информации на индикаторные устройства и ввод данных с помощью кнопочной клавиатуры (например, при использовании переносных пультов).

7. Широкий диапазон рабочих температур (промышленный стандарт: от минус 40°С до плюс 80°С).