《智能传感器设计》介绍智能传感器应用系统设计技术，力求理论与实践相结合，引导读者迅速掌握智能传感器的基础知识和设计方法，构建通用的软硬件开发平台，并轻松地开展应用设计与实验。主要内容包括智能传感器的基本概念，基于dsPIC系列数字信号控制器设计智能传感器的方法，以及温度检测、压力和称重检测、流量检测三种典型应用的设计实例。这些实例包含丰富的硬件电路图、软件流程图以及很多设计技巧，具有很强的参考性。

Creed Huddleston，资深传感器设计专家。现任0mnisys公司副总裁。在嵌入式系统设计行业工作长达20余年，具有丰富的实践经验。

《智能传感器设计》既可作为经验丰富的嵌入式系统设计师从事智能传感器系统设计的参考书，也可作为刚刚接触嵌入式系统设计的高年级本科生、研究生的学习参考书。任何有编程经验或者工程经验、又对智能传感器领域感兴趣的读者都会从中受益。

第1章 智能传感器概述. 1

1.1 常规传感器并非完美 2

1.2 第一步——传感器信号数字化 5

1.3 第二步——增加一些智能 5

1.4 第三步——实现快速而可靠的通信 5

1.5 第四步——将所有的东西连在一起,就得到一个智能传感器 6

1.6 智能传感器局限 7

1.6.1 开发和生产成本超过从用户处可获得的利润 7

1.6.2 缺少必需的基础条件 8

1.6.3 环境条件不允许增加电路 8

1.7 智能传感器实例 8

1.7.1 多通道数字温度传感器 8

1.7.2 流量传感器 9

1.7.3 线控驾驶转向位置传感器 10

1.8 本书后续内容概述 10

第2章 直观数字信号处理 13

2.1 信号处理的基本概念 13

2.1.1 信号和噪声的明确定义 13

2.1.2 在频域内观察信号 16

2.1.3 用滤波器净化信号 20

2.2 与信号采样相关的话题 30

2.2.1 数字化对采样信号的影响 31

2.2.2 有限寄存器长度的影响 32

2.2.3 过采样 32

2.3 如何分析传感器信号的应用 33

2.4 一个通用的传感器信号处理架构 33

2.4.1 信号调理与获取 35

2.4.2 预分析滤波 35

2.4.3 信号线性化 35

2.4.4 参数分析 35

2.4.5 后分析滤波 35

2.4.6 故障检测与处理 35

2.4.7 通信 35

2.5 小结 36

第3章 dsPIC系列DSC揭密 37

3.1 dsPIC系列DSC的数据处理架构 38

3.1.1 dsPIC系列DSC的存储器 38

3.1.2 DSP引擎 42

3.1.3 寻址方式和地址发生单元 46

3.2 中断的结构 47

3.3 片上外围设备 48

3.3.1 数据采集外围设备 49

3.3.2 定时/计数器模块 60

3.4 小结 66

第4章 智能传感器通信的实现 67

4.1 通信的类型 67

4.1.1 通信信道的重要特性 67

4.1.2 信道的数据吞吐量 68

4.1.3 点对点和多节点网络 68

4.1.4 数据链路的物理属性 69

4.1.5 异步和同步数据传输 69

4.1.6 硬件错误监测 71

4.2 dsPIC30F系列器件具备的通信接口 72

4.2.1 串行通信接口 72

4.2.2 通用异步收发器 73

4.2.3 控制器局域网络 81

4.3 高级协议 87

4.3.1 通用消息协议 88

4.3.2 特殊命令协议 90

4.4 小结 92

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目　录

译者序

原书前言

第1章　智能传感器设计1

1.1　引言1

1.2　智能传感器2

1.2.1　接口电路3

1.2.2　校准和微调5

1.3　智能温度传感器6

1.3.1　电路原理6

1.3.2　接口电路设计7

1.3.3　近期研究进展8

1.4　智能风速传感器8

1.4.1　工作原理9

1.4.2　接口电路10

1.4.3　近期研究进展11

1.5　智能霍尔传感器11

1.5.1　电路原理11

1.5.2　接口电路12

1.5.3　近期研究进展13

1.6　本章小结14

参考文献15

第2章　智能传感器的校准与自校准17

2.1　引言17

2.2　智能传感器的校准18

2.2.1　校准术语18

2.2.2　校准有效性的局限19

2.2.3　智能传感器校准的特性20

2.2.4　传感器中校准数据的存储20

2.2.5　生产过程中的校准22

2.2.6　智能传感器校准的机遇24

2.2.7　案例分析：一种智能温度传感器24

2.3　自校准26

2.3.1　自校准的局限性26

2.3.2　通过结合多个传感器的自校准26

2.3.3　自校准传感激励器29

2.3.4　案例分析：一种智能磁场传感器30

2.3.5　零位平衡传感激励器32

2.3.6　案例分析：一种智能风速传感器33

2.3.7　其他自校准方法35

2.4　总结和未来趋势37

2.4.1　总结37

2.4.2　未来趋势38

参考文献39

第3章　精密仪表放大器41

3.1　引言41

3.2　仪表放大器的应用42

3.3　三运放仪表放大器43

3.4　电流反馈仪表放大器44

3.5　自动调零运算放大器和仪表放大器47

3.6　斩波运算放大器和仪表放大器50

3.7　斩波稳零运算放大器和仪表放大器55

3.8　斩波稳零及自动调零协同运算放大器和仪表放大器60

3.9　总结与展望64

参考文献65

第4章　专用阻抗传感器系统67

4.1　引言67

4.2　采用方波激励信号的电容式传感器接口电路70

4.2.1　单元素测量70

4.2.2　基于周期调制的高能效接口电路71

4.2.3　电容式传感器的高速高分辨测量74

4.2.4　接地电容测量：前馈有源保护75

4.3　专用测量系统：微生物检测77

4.3.1　新陈代谢引起的电导改变特性77

4.3.2　张弛振荡器阻抗测量80

4.4　专用测量系统：含水量的测量82

4.4.1　背景82

4.4.2　电容值与含水量的关系83

4.4.3　趋肤效应和邻近效应83

4.4.4　测定含水量的专用接口电路系统85

4.5　专用测量系统：血液阻抗表征测量系统87

4.5.1　血液及其电路模型的特征87

4.5.2　有机体内血液分析系统90

4.5.3　实验结果93

4.6　本章小结95

参考文献96

第5章　低功耗振动式陀螺仪读出电路99

5.1　引言99

5.2　节能的科里奥利传感技术99

5.2.1　振动式陀螺仪简介99

5.2.2　电子接口电路100

5.2.3　接口读出电路101

5.2.4　提高接口读出电路功效102

5.2.5　利用感应谐振103

5.3　模式匹配105

5.3.1　评估失配105

5.3.2　调节失配109

5.3.3　关闭调谐回路110

5.3.4　实际考虑111

5.4　力反馈114

5.4.1　模式匹配考虑114

5.4.2　初始系统架构和模型稳定性分析115

5.4.3　适应寄生谐振117

5.4.4　正反馈架构120

5.5　实验样机126

5.5.1　实施127

5.5.2　实验结果130

5.6　总结136

参考文献136

第6章　基于CMOS工艺的DNA生物芯片138

6.1　引言138

6.2　DNA芯片的基本工作原理和应用138

6.3　芯片修饰142

6.4　CMOS集成143

6.5　电化学读出技术146

6.5.1　探测原理146

6.5.2　电位法装置152

6.5.3　读出电路155

6.6　其他读出技术157

6.6.1　基于标记方法157

6.6.2　无标记方法158

6.7　封装集成附注160

6.8　总结和展望161

参考文献162

第7章　CMOS图像传感器165

7.1　CMOS尺寸效应对图像传感器的影响165

7.2　CMOS像素结构167

7.3　光子散粒噪声171

7.4　应用于CMOS图像传感器的模－数转换器172

7.5　光灵敏度175

7.6　动态范围176

7.7　全局快门177

7.8　结论178

参考文献179

第8章　智能传感器探索之神经接口181

8.1　引言181

8.2　动态神经控制系统设计技术要点183

8.3　动态控制框架中基于智能传感器的治疗设备：闭环心脏起搏器案例186

8.4　“间接”智能传感方法的应用实例：一个针对慢性疼痛的姿态响应脊髓刺激案例研究188

8.4.1　姿态响应型控制系统概述188

8.4.2　设计的挑战：定义病人预期状态189

8.4.3　物理传感器：三轴加速度计192

8.4.4　三轴加速度计的具体设计192

8.4.5　采用状态评估使传感器“智能化”：位置检测算法和刺激算法195

8.4.6　“闭环”：将惯性信息映射到基于姿态的自适应治疗的刺激参数196

8.5　神经状态的直接感知：智能传感器用于测量神经状态和实现闭环神经系统的案例研究198

8.5.1　植入式双向脑机接口系统设计199

8.5.2　斩波稳零EEG仪表放大器设计概述200

8.5.3　大脑的神经智能感知探索：动物样本原型试验208

8.5.4　展示大脑中智能传感的概念：实时大脑状态评估和刺激法214

8.6　神经系统智能检测的未来趋势和机遇220

参考文献222

第9章　微能源产生：原理和应用226

9.1　引言226

9.2　能量存储系统229

9.2.1　简介229

9.2.2　超级电容器230

9.2.3　锂离子电池230

9.2.4　薄膜锂离子电池232

9.2.5　能量存储系统应用233

9.3　热电能量采集234

9.3.1　简介234

9.3.2　最新技术235

9.3.3　转化效率239

9.3.4　电源管理240

9.3.5　小结240

9.4　振动与运动能量采集241

9.4.1　简介241

9.4.2　机械环境：谐振系统242

9.4.3　人类环境：非谐振系统246

9.4.4　电源管理248

9.4.5　小结248

9.5　远场RF能量采集249

9.5.1　简介249

9.5.2　基本原理249

9.5.3　分析和设计252

9.5.4　应用253

9.6　光伏254

9.7　总结和未来趋势255

9.7.1　总结255

9.7.2　未来趋势256

参考文献257