在很多工業應用中傳感中，記錄和通信當前環境條件數據至關重要。雖然很多工業處理過程都面臨高溫、高壓、振動、腐蝕性氣體或液體等環境問題，但是控制和監測這些處理過程，尤其是在非常嚴酷的條件下，實時傳感還是非常有必要的。當然控制功能也是保證安全的重要因素，如設備安全，操作過程安全以及人員安全等。很多控制系統中的薄弱環節就是傳感功能，因為通常它們需要工作在嚴酷環境中最惡劣的那部分，而控制系統通常被部署在遠離最嚴酷的環境的地方，因此對于控制系統的要求不像對傳感系統那樣嚴格。

舉個例子來說明嚴酷環境下對傳感與控制系統的嚴格要求，井下鉆探需要精確控制鉆井和提取過程。如果沒有連續的控制功能，這個操作過程可能耗費的時間更長，需要經常停下來維護，甚至有可能毀壞復雜昂貴的設備。最糟糕的情況是，如果控制系統沒能及時反應，操作者可能面臨不可預知的危險。如果為了減少花費而采用精確性差，可靠性差的傳感器，最終結果就是造成的損失更大，浪費了寶貴的時間，設備損壞，甚至導致操作者受傷或者死亡。

井下鉆探對于傳感的要求范圍很大。對傳感器的要求不同于尋常，不僅要監測溫度，壓力和電阻率甚至要監測井下可能出現的伽馬射線輻射水平（圖1）。這些傳感器需要能夠經受住井下環境出現的高溫，高壓，振動和腐蝕性等條件，同時精確性也是同樣重要的。提前檢測小的變化可以讓控制系統更容易的判定變化趨勢，這小的變化可能是系統壓力變化的預警符號，需要進行調整或者控制。幸運的是現在很多傳感器都能夠承受這些嚴酷的環境并且能為先進的控制系統提供精確的測量。

圖1井下傳感對于安全和效率至關重要

1嚴酷環境下的系統框架

正如前面所提到的，在嚴酷環境下，通常我們要將傳感組件與控制組件組開部署，這樣那些復雜的電子控制系統就可以遠離最嚴酷的環境條件，而將健壯的傳感器部署在最具挑戰性的區域。然而一些控制功能需要在傳感器附近完成，如管理采集到的數據然后經數據發送給遠程控制系統。除此之外還需要記錄傳感器吊艙內部或周圍的環境數據，這樣有助于實現高效測量以及判斷發生的故障（類似于飛機上使用的“黑匣子”，幫助我們判定錯誤或者故障發生的根本原因）。記錄數據同樣也需要一些控制功能來實現整個記錄過程。

設計滿足這些要求的系統的一個方法就是將一個簡單的控制器部署在傳感組件旁邊來實現簡單的通信與記錄功能（圖2）。多個傳感器被封裝起來用于監測環境條件，同時采用一個傳感器控制器獲取傳感器數據并作一定的處理，降低數據傳輸開銷。通信控制器可以部署在遠離傳感器封裝包的地方，降低嚴酷環境對其的要求。大量的數據處理和算法處理可以放在中央控制器內完成，中央控制器部署在最遠處，可以使用工業通用的計算機?？刂破鏖g的通信可以采用無線方式，如果環境允許，也可以采用電線或者光線通信。

圖2：井下傳感器應用系統架構示例，假設采用光纖通信，因為光纖可以長距離通信且受電磁干擾最小

2傳感器和信號鏈

溫度傳感器可能是最為人所熟知的傳感器類型了，基于金屬鉑的傳感器可以根據溫度改變電阻。例如霍尼韋爾700系列薄膜鉑傳感器監測溫度范圍為-70——500攝氏度，可以在最惡劣溫度條件下工作。壓力傳感器，電磁傳感器，流體傳感器，氣體和位置傳感器可以一起封裝起來，預防振動和機械壓力造成的損壞。傳感器通常還需要一系列電子信號進行監測，包括放大，模數轉換，還可能包括一些信號處理從噪聲中提取有效信號。要找到一個組件能夠適應如此大的溫度范圍來實現此部分的設計是有一定難度的，但是幸運的是一些制造商為此類型的產品提供了可擴展的溫度范圍，能夠在較高溫度下正常工作。

德州儀器(TI)提供了面向此類信號鏈設計要求的設備，能夠在-55攝氏度到210攝氏度溫度范圍內正常工作。這些產品能夠生成信號鏈輸入所需的信號，首先是一個高溫運算放大器（op amp），例如TI的 OPA 2333運算放大器。放大器的輸出會作為高溫模數轉換器的輸入，例如還是TI的ADS1278模數轉換器。因為這些產品都能夠在較大溫度范圍內工作，并且采用堅固的陶瓷封裝，它們可以被用于非常嚴酷環境下的傳感器應用。

3控制系統框架

使用圖2的示例設計，設計工程師需要設計三個層次的控制環節。距傳感器最近的控制器要具有一定的信號處理能力。距離傳感器較遠的通信控制器要能夠處理通信過程，并且要具有記錄功能。最后通信傳輸的最終端是一個工業計算機，它要能夠為鉆井過程提供高層次的算法控制和監控能力。

傳感器控制和監控是處理過程最密集的，因此需要最健壯的控制器。能夠勝任此任務的一個選擇就是德州儀器的TMS320F2812數字信號處理器。它能夠在-55攝氏度到210攝氏度溫度范圍內工作，完全能夠部署在最嚴酷的環境下。這款DSP處理器能夠對數據進行預處理然后將數據傳送給通信控制器，能夠降低數據傳輸的總帶寬，這對效率是一個很大的提升。

通信控制器可以是一個更簡單的處理器，甚至可以采用一個16為的MCU，例如飛思卡爾的MC9S12D64F0VFUE。對此控制器沒有太多的溫度要求，工作溫度范圍能夠達到105攝氏度就已經足夠了。這類型的MCU完全具有管理整個通信過程的能力，架起從傳感器到系統控制器間的橋梁，并且能實現任何數據記錄所需的功能。

對中央控制器的要求是最少的，因此一個標準的具備高性能計算能力和存儲能力的工業計算機就是一個非常好的選擇。例如ADLINK AmPro，一個非常小的單板計算機，完全能夠勝任，工作溫度范圍甚至可以從-40攝氏度到85攝氏度。它采用Intel Atom處理器，2GB的DDR2 SDRAM，8GB工業級SSD硬盤，外設接口有USB，LAN,SDIO,CAN和SATA，甚至還有一個24位的LVDS接口。完全兼容各種操作系統，可以直接使用現有的應用軟件。

4通信鏈接環節

將信號從傳感器一直傳輸到中央控制器會面臨很多嚴峻的挑戰。通信環節可以采用光纖，電纜或者無線方式，這需要根據傳輸距離和當時的環境特點來決定。可以確信的是采用無線方式作為鏈接媒介面臨挑戰是最少的，但是在很多環境下是不可能采用的，因為有些環境下的噪聲或障礙物會對其傳輸造成干擾，井下應用環境就是一個典型的例子。

采用光纖線纜通信和堅固的連接器可以實現長距離的通信。一些光纖連接器系統，例如Molex 106397-1604,使用一種特殊的高溫金屬材料，能夠長時間在高達150攝氏度的高溫環境下正常工作，同時也能夠抵御嚴重的沖擊和振動。

如果沒有太多的信號噪聲和衰減風險，短距離的通信采用電子通信是最合適的。串行傳輸協議可以采用較低的傳輸速率（例如傳統的UART傳輸速率），如果需要較高的數據傳輸帶寬，也可以使用高達10-Gigabit網絡傳輸協議。任何基于有線的通信方式，堅固的連接器必須能夠經受住高溫和嚴重的振動。例如，TE公司推出的Ceelok FAS-T連接器可以應用在各種通信系統中，可以使用5類（1Gbit網絡）線或者增強6類（10Gbit網絡）線。在圖2的示例設計中，從傳感器到通信控制器采用有線的連接器是比較合適的。根據傳感器的數量和監控頻率，可以采用簡單的UART串口協議或者低速的網絡協議來實現。

嚴酷的環境，像井下鉆探那樣，與傳統環境比起來會嚴重限制設計工程師的實現選擇。具有較大工作溫度范圍的組件，如可達到200攝氏度，可以讓在非常具有挑戰性的環境下構建健壯和復雜的傳感系統成為可能。通過遠程部署通信和數據記錄功能，遠離最嚴酷的環境條件，一個可以在較大溫度范圍能正常工作的設計是可以實現的，典型的設備能承受最大溫度在85攝氏度或105攝氏度一般足夠了。這種類型的部署方法可以應用于很多類型的應用中去，工作環境甚至可以像蜂窩基站或者高性能服務器的機架底盤控制卡一樣嚴酷。