关于实现复杂传感与控制系统的方法分析

在很多工业应用中传感中，记录和通信当前环境条件数据至关重要。虽然很多工业处理过程都面临高温、高压、振动、腐蚀性气体或液体等环境问题，但是控制和监测这些处理过程，尤其是在非常严酷的条件下，实时传感还是非常有必要的。当然控制功能也是保证安全的重要因素，如设备安全，操作过程安全以及人员安全等。很多控制系统中的薄弱环节就是传感功能，因为通常它们需要工作在严酷环境中最恶劣的那部分，而控制系统通常被部署在远离最严酷的环境的地方，因此对于控制系统的要求不像对传感系统那样严格。

举个例子来说明严酷环境下对传感与控制系统的严格要求，井下钻探需要精确控制钻井和提取过程。如果没有连续的控制功能，这个操作过程可能耗费的时间更长，需要经常停下来维护，甚至有可能毁坏复杂昂贵的设备。最糟糕的情况是，如果控制系统没能及时反应，操作者可能面临不可预知的危险。如果为了减少花费而采用精确性差，可靠性差的传感器，最终结果就是造成的损失更大，浪费了宝贵的时间，设备损坏，甚至导致操作者受伤或者死亡。

井下钻探对于传感的要求范围很大。对传感器的要求不同于寻常，不仅要监测温度，压力和电阻率甚至要监测井下可能出现的伽马射线辐射水平（图1）。这些传感器需要能够经受住井下环境出现的高温，高压，振动和腐蚀性等条件，同时精确性也是同样重要的。提前检测小的变化可以让控制系统更容易的判定变化趋势，这小的变化可能是系统压力变化的预警符号，需要进行调整或者控制。幸运的是现在很多传感器都能够承受这些严酷的环境并且能为先进的控制系统提供精确的测量。

图1井下传感对于安全和效率至关重要

1严酷环境下的系统框架

正如前面所提到的，在严酷环境下，通常我们要将传感组件与控制组件组开部署，这样那些复杂的电子控制系统就可以远离最严酷的环境条件，而将健壮的传感器部署在最具挑战性的区域。然而一些控制功能需要在传感器附近完成，如管理采集到的数据然后经数据发送给远程控制系统。除此之外还需要记录传感器吊舱内部或周围的环境数据，这样有助于实现高效测量以及判断发生的故障（类似于飞机上使用的“黑匣子”，帮助我们判定错误或者故障发生的根本原因）。记录数据同样也需要一些控制功能来实现整个记录过程。

设计满足这些要求的系统的一个方法就是将一个简单的控制器部署在传感组件旁边来实现简单的通信与记录功能（图2）。多个传感器被封装起来用于监测环境条件，同时采用一个传感器控制器获取传感器数据并作一定的处理，降低数据传输开销。通信控制器可以部署在远离传感器封装包的地方，降低严酷环境对其的要求。大量的数据处理和算法处理可以放在中央控制器内完成，中央控制器部署在最远处，可以使用工业通用的计算机。控制器间的通信可以采用无线方式，如果环境允许，也可以采用电线或者光线通信。

图2：井下传感器应用系统架构示例，假设采用光纤通信，因为光纤可以长距离通信且受电磁干扰最小

2传感器和信号链

温度传感器可能是最为人所熟知的传感器类型了，基于金属铂的传感器可以根据温度改变电阻。例如霍尼韦尔700系列薄膜铂传感器监测温度范围为-70——500摄氏度，可以在最恶劣温度条件下工作。压力传感器，电磁传感器，流体传感器，气体和位置传感器可以一起封装起来，预防振动和机械压力造成的损坏。传感器通常还需要一系列电子信号进行监测，包括放大，模数转换，还可能包括一些信号处理从噪声中提取有效信号。要找到一个组件能够适应如此大的温度范围来实现此部分的设计是有一定难度的，但是幸运的是一些制造商为此类型的产品提供了可扩展的温度范围，能够在较高温度下正常工作。

德州仪器(TI)提供了面向此类信号链设计要求的设备，能够在-55摄氏度到210摄氏度温度范围内正常工作。这些产品能够生成信号链输入所需的信号，首先是一个高温运算放大器（op amp），例如TI的 OPA 2333运算放大器。放大器的输出会作为高温模数转换器的输入，例如还是TI的ADS1278模数转换器。因为这些产品都能够在较大温度范围内工作，并且采用坚固的陶瓷封装，它们可以被用于非常严酷环境下的传感器应用。

3控制系统框架

使用图2的示例设计，设计工程师需要设计三个层次的控制环节。距传感器最近的控制器要具有一定的信号处理能力。距离传感器较远的通信控制器要能够处理通信过程，并且要具有记录功能。最后通信传输的最终端是一个工业计算机，它要能够为钻井过程提供高层次的算法控制和监控能力。

传感器控制和监控是处理过程最密集的，因此需要最健壮的控制器。能够胜任此任务的一个选择就是德州仪器的TMS320F2812数字信号处理器。它能够在-55摄氏度到210摄氏度温度范围内工作，完全能够部署在最严酷的环境下。这款DSP处理器能够对数据进行预处理然后将数据传送给通信控制器，能够降低数据传输的总带宽，这对效率是一个很大的提升。

通信控制器可以是一个更简单的处理器，甚至可以采用一个16为的MCU，例如飞思卡尔的MC9S12D64F0VFUE。对此控制器没有太多的温度要求，工作温度范围能够达到105摄氏度就已经足够了。这类型的MCU完全具有管理整个通信过程的能力，架起从传感器到系统控制器间的桥梁，并且能实现任何数据记录所需的功能。

对中央控制器的要求是最少的，因此一个标准的具备高性能计算能力和存储能力的工业计算机就是一个非常好的选择。例如ADLINK AmPro，一个非常小的单板计算机，完全能够胜任，工作温度范围甚至可以从-40摄氏度到85摄氏度。它采用Intel Atom处理器，2GB的DDR2 SDRAM，8GB工业级SSD硬盘，外设接口有USB，LAN,SDIO,CAN和SATA，甚至还有一个24位的LVDS接口。完全兼容各种操作系统，可以直接使用现有的应用软件。

4通信链接环节

将信号从传感器一直传输到中央控制器会面临很多严峻的挑战。通信环节可以采用光纤，电缆或者无线方式，这需要根据传输距离和当时的环境特点来决定。可以确信的是采用无线方式作为链接媒介面临挑战是最少的，但是在很多环境下是不可能采用的，因为有些环境下的噪声或障碍物会对其传输造成干扰，井下应用环境就是一个典型的例子。

采用光纤线缆通信和坚固的连接器可以实现长距离的通信。一些光纤连接器系统，例如Molex 106397-1604,使用一种特殊的高温金属材料，能够长时间在高达150摄氏度的高温环境下正常工作，同时也能够抵御严重的冲击和振动。

如果没有太多的信号噪声和衰减风险，短距离的通信采用电子通信是最合适的。串行传输协议可以采用较低的传输速率（例如传统的UART传输速率），如果需要较高的数据传输带宽，也可以使用高达10-Gigabit网络传输协议。任何基于有线的通信方式，坚固的连接器必须能够经受住高温和严重的振动。例如，TE公司推出的Ceelok FAS-T连接器可以应用在各种通信系统中，可以使用5类（1Gbit网络）线或者增强6类（10Gbit网络）线。在图2的示例设计中，从传感器到通信控制器采用有线的连接器是比较合适的。根据传感器的数量和监控频率，可以采用简单的UART串口协议或者低速的网络协议来实现。

严酷的环境，像井下钻探那样，与传统环境比起来会严重限制设计工程师的实现选择。具有较大工作温度范围的组件，如可达到200摄氏度，可以让在非常具有挑战性的环境下构建健壮和复杂的传感系统成为可能。通过远程部署通信和数据记录功能，远离最严酷的环境条件，一个可以在较大温度范围能正常工作的设计是可以实现的，典型的设备能承受最大温度在85摄氏度或105摄氏度一般足够了。这种类型的部署方法可以应用于很多类型的应用中去，工作环境甚至可以像蜂窝基站或者高性能服务器的机架底盘控制卡一样严酷。