摘 要: 當(dāng)今,所有以微處理器為基礎(chǔ)的測控系統(tǒng)都需要傳感器來提供做出實(shí)時(shí)決策的數(shù)據(jù)。本文詳細(xì)闡述了壓力傳感器測量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、壓力傳感器智能化軟件設(shè)計(jì)、壓力傳感器誤差與溫度補(bǔ)償技術(shù)設(shè)計(jì)。針對(duì)傳感器測量的溫度漂移和非線性等問題,提出了利用多傳感器信息融合技術(shù)——曲面擬合法和曲線擬合法來加以解決,并實(shí)現(xiàn) PC機(jī)與傳感器測量系統(tǒng)之間的通信,完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和打印等功能,使測量系統(tǒng)更加完善。
關(guān)鍵字: 智能壓力傳感器;PC機(jī);溫度補(bǔ)償
1 引言
傳感器的研究始于二十世紀(jì)三十年代,它是研究非電量信息與電量間轉(zhuǎn)換的一門跨學(xué)科的邊緣技術(shù)科學(xué)。早期傳感器是模擬式傳感器,現(xiàn)在常稱為傳統(tǒng)傳感器。隨著高性能計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的發(fā)展,當(dāng)系統(tǒng)對(duì)傳感器提出數(shù)字化、智能化要求后,傳統(tǒng)傳感器不再與系統(tǒng)相適應(yīng)。控制系統(tǒng)要求傳感器輸出數(shù)字信號(hào),并具備較強(qiáng)的信息處理和自我管理能力,以實(shí)現(xiàn)信息的采集與信息的預(yù)處理,減輕控制計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)和提高整個(gè)測控系統(tǒng)的可靠性。
2 智能壓力傳感器硬件設(shè)計(jì)
圖1為系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖,從結(jié)構(gòu)圖中可以看出硬件電路簡潔,ADμC812單片機(jī)不用外接A/D和D/A轉(zhuǎn)換器,不占用大量的空間,并且具有可重新編程非易失性閃速/電擦除程序存儲(chǔ)器,調(diào)試簡單。
圖1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖
2.1 信號(hào)分析處理
以往的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是通過多路選擇開關(guān)來控制通道的選擇,然后通過采樣保持器和AID轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)再送到微控制器,這種分立的元器件使系統(tǒng)產(chǎn)生很多誤差并占用大量的空間。
本文使用的單片機(jī)ADμC812是真正意義上的完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片（包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路、微控制器、閃速/電擦除存儲(chǔ)器等等）。微轉(zhuǎn)換器集成了一個(gè)完全可編程的,高精度的模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它小得可以放置在一個(gè)傳感器、轉(zhuǎn)發(fā)器或電纜連接器之內(nèi)。它的成本極低,因此可以取代建立在單板機(jī)基礎(chǔ)上的高成本、大體積的產(chǎn)品。由于其高精度和高速度,它適用于智能傳感、瞬時(shí)獲取、數(shù)據(jù)采集和各種通信系統(tǒng)。其功能方框圖如圖2所示。
圖2 ADμC812功能方框圖
在本文設(shè)計(jì)中,將ADμC812單片機(jī)P1口的P1.0, P1.1、P1.2和P 1.3作為四路信號(hào)輸入通道,其中一路輸入差壓信號(hào),一路輸入溫度信號(hào),一路輸入靜壓信號(hào),一路接地,這一路可配合相應(yīng)的軟件來降低溫漂和系統(tǒng)誤差:P1.7口接發(fā)光二極管,用于監(jiān)測單片機(jī)是否正常工作;P2口的 P2.0和P2.1作為液晶顯示的輸入脈沖和數(shù)據(jù)端;P3口的P3.0 （RXD）和P3.1 （TXD）外接一片MAX232,進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)和 PC機(jī)的通信。本設(shè)計(jì)采用外部時(shí)鐘產(chǎn)生方式,晶體頻率為11.0592MHz,采用內(nèi)部基準(zhǔn),在7引腳（CRER）與AGND之間連接0.1μF的電容。電源復(fù)位電路采用MAX708芯片進(jìn)行復(fù)位。
2.2 傳感器輸出信號(hào)預(yù)處理
傳感器輸出信號(hào)的預(yù)處理主要由信號(hào)調(diào)理電路組成,包括對(duì)差壓、靜壓和溫度傳感器的恒壓源電路的設(shè)計(jì)以及完成對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行濾波放大。
1、恒壓源電路設(shè)計(jì)。使用本電路如果不采用穩(wěn)壓措施,當(dāng)對(duì)傳感器供電初始時(shí),電壓會(huì)出現(xiàn)上跳的現(xiàn)象,使對(duì)傳感器提供的5V電壓,變成超過5V,這樣對(duì)智能傳感器造成損害,嚴(yán)重時(shí)可使整個(gè)電路燒壞,所以本文用二次穩(wěn)壓對(duì)智能壓力傳感器進(jìn)行保護(hù)。本文一次穩(wěn)壓使用的穩(wěn)壓器是LM117,它只有輸入端、輸出端和公共端三個(gè)引腳,所需要的外接元器件少,使用方便、可靠。
在測量中,傳感器的時(shí)漂和溫漂受環(huán)境的影響會(huì)發(fā)生變化,為了使其穩(wěn)定性好,本文選擇基準(zhǔn)電壓源REF192對(duì)壓力、靜壓和溫度傳感器進(jìn)行二次穩(wěn)壓,REF192的優(yōu)點(diǎn)是適合對(duì)智能傳感器進(jìn)行供電,與普通的基準(zhǔn)電源相比具有溫漂小、輸出噪聲小、動(dòng)態(tài)內(nèi)阻小、有短路保護(hù)等特點(diǎn)。原理圖如圖3所示。 REF192的主要參數(shù)如下:基準(zhǔn)電壓VR=2.5V,溫度系數(shù)TC<5PPm/℃,輸出噪聲電壓為25μV。當(dāng)基準(zhǔn)電壓VR=2.5V,溫度范圍在10℃～80℃時(shí),溫度傳感器輸出電壓的變化范圍為1.5V～2V。
2、圖3為對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大的原理圖。放大器采用單電源的儀表放大器AD623,其特點(diǎn)是:便于使用、低功耗、高精度和低噪聲等。AD623使用設(shè)置電阻進(jìn)行增益控制,即由1腳與8腳之間的阻抗來決定。壓力信號(hào)變化幅度范圍在0mV～500mV,放大倍數(shù)設(shè)定為5倍。經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換和放大后的電信號(hào),由于多種原因,會(huì)含有多種頻率成分的噪聲信號(hào),需采取濾波措施,將不需要的雜散信號(hào)抑制掉,我們將R3和C3構(gòu)成了一個(gè)低通濾波器,使系統(tǒng)的信噪比增加,這里 C3=0.1μF, R3=1K。
圖3 信號(hào)放大電路
3 智能壓力傳感器軟件設(shè)計(jì)
智能壓力傳感器的軟件是由監(jiān)控程序,中斷程序,測量程序和信號(hào)處理程序組成。在主程序的管理下,系統(tǒng)可以自檢RAM和A/D轉(zhuǎn)換芯片等功能是否正常。如有故障,可以顯示哪一元件出錯(cuò),并顯示出錯(cuò)的詳細(xì)位置,以便操作人員及時(shí)處理;如正常,則對(duì)系統(tǒng)初始化,包括堆棧指針的設(shè)置、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的初始化、中斷初始化、有關(guān)工作單元初始化等。
1、監(jiān)控程序設(shè)計(jì)。監(jiān)控程序是智能傳感器軟件中的主線,它調(diào)用各模塊,并將它們聯(lián)系起來,形成一個(gè)有機(jī)的整體,實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的全部管理功能。在本設(shè)計(jì)中,由于使用的CPU沒有ROM和E2PROM,所以節(jié)省了軟件設(shè)計(jì)。我們只對(duì)RAM和A/D進(jìn)行自檢,又由于本文所使用的CPU在接電使用時(shí),A/D自動(dòng)進(jìn)行自檢,所以不用設(shè)計(jì)其自檢程序。
2、測量控制程序。測量控制程序完成測量以及測量過程的控制任務(wù),如多通道切換、采樣、A/D轉(zhuǎn)換等。這些功能可以由若干個(gè)程序模塊實(shí)現(xiàn),供監(jiān)控程序或中斷程序調(diào)用。測量程序所要實(shí)現(xiàn)的功能是采集溫度、靜壓和差壓信號(hào),對(duì)差壓進(jìn)行線性校正,然后實(shí)現(xiàn)溫度、靜壓信號(hào)對(duì)差壓信號(hào)的補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償后,顯示其差壓測量值。
3、數(shù)據(jù)通信軟件設(shè)計(jì)。我們采用LED對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,由于LED只能顯示數(shù)據(jù),而不能對(duì)其進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和PC機(jī)之間的通信,可利用PC機(jī)對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行顯示、數(shù)據(jù)處理和打印。這部分軟件包括單片機(jī)的通信軟件設(shè)計(jì)和PC機(jī)的通信軟件設(shè)計(jì),PC機(jī)的通信軟件設(shè)計(jì)由C++Builder來完成。
PC機(jī)通信軟件的設(shè)計(jì)。本文編制串行通信分成四個(gè)步驟:1） 打開串行口并進(jìn)行初始化,初始化的任務(wù)是以一定方式打開端口,并設(shè)置通信的波特率、數(shù)據(jù)位個(gè)數(shù)、停止位個(gè)數(shù)、奇偶校驗(yàn)方式、差錯(cuò)檢測、超時(shí)參數(shù)、響應(yīng)事件等;2） 數(shù)據(jù)的發(fā)送,將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入端口,并進(jìn)行錯(cuò)誤處理;3） 數(shù)據(jù)的接收,當(dāng)端口發(fā)生接受到事件字符并放入輸入緩沖區(qū)事件后,讀取端口數(shù)據(jù);4） 關(guān)閉端口,釋放系統(tǒng)資源。
智能傳感器的通信軟件設(shè)計(jì)。本文采用的是半雙工形式來傳送數(shù)據(jù)。單片機(jī)串行通信有四種工作方式,我們采用的是工作方式1,它的特點(diǎn)是波特率可變,無奇偶校驗(yàn)位,波特率的設(shè)置與定時(shí)器1的計(jì)數(shù)器溢出率有關(guān)。本文采用的是定時(shí)器T1四種工作方式中的工作方式2,在工作方式2中,TL0作為8位計(jì)數(shù)器,TH0用來保存初值,每當(dāng)TL0計(jì)滿溢出時(shí),TH0中的初值可自動(dòng)再裝入TH0中,如此重復(fù)。波特率的公式為:
波特率=2SMOD×晶振頻率/[32×12×（256-X）]
本文采用的波特率為9600,晶振為11.0592, SMOD設(shè)為0, TH1為253。單片機(jī)通信子程序結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。
圖4 單片機(jī)通信子程序結(jié)構(gòu)框圖
任何一種測量過程都不可避免地存在著誤差,按誤差出現(xiàn)的規(guī)律可將其分為隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差,隨機(jī)誤差可以采用濾波方法來加以克服,而系統(tǒng)誤差不能依靠統(tǒng)計(jì)平均的方法來消除,而只能針對(duì)某一具體情況在測量技術(shù)上采用一定的措施,本文針對(duì)盡可能降低智能傳感器這兩種誤差及提高采集數(shù)據(jù)的精確性,我們配合硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)。
1、隨機(jī)誤差。
由于隨機(jī)干擾使被測信號(hào)中混入了無用成分,可以采用濾波器濾掉信號(hào)中的無用成分,提高信號(hào)質(zhì)量。常用的數(shù)字濾波算法有限幅濾波、中位值濾波、算術(shù)平均濾波、遞推平均濾波、一階慣性濾波和復(fù)合濾波等。由于復(fù)合濾波即可以去掉脈沖干擾,又可以對(duì)采樣值進(jìn)行平滑處理,它兼有中位值濾波和算術(shù)平均濾波的優(yōu)點(diǎn), 所以本文采用復(fù)合濾波的算法。復(fù)合濾波的算法原理如下:首先將N次采樣值按大小排隊(duì),然后去掉最大值和最小值,再對(duì)剩下的N-2個(gè)采樣值求算術(shù)平均值。
2、系統(tǒng)誤差。
（1） 自動(dòng)零位校準(zhǔn)。為了消除由于環(huán)境因素變化,使傳感器的輸出或放大器的增益等發(fā)生變化所造成的儀器零點(diǎn)漂移,而引起系統(tǒng)誤差,我們采用自動(dòng)零位校準(zhǔn)的方法。本文使用的CPU具有8個(gè)輸入通道,故在溫度、靜壓和差壓輸入通道之外再使一個(gè)通道接地,這樣每次采集數(shù)據(jù)時(shí),可直接用軟件技術(shù)把接地通道得到的數(shù)值扣除。
（2） 非線性校正。為了實(shí)現(xiàn)輸入-輸出特性是一條直線,也就是說在測量范圍內(nèi)靈敏度是一個(gè)常數(shù),本文采用曲線擬合法,設(shè)定一個(gè)泰勒展開的n次多項(xiàng)式來逼近傳感器測量非線性曲線。
（3） 溫度補(bǔ)償。本文主要采用信息融合處理方法中的多維回歸分析法。其基本思想是:用多維回歸方程來建立被測目標(biāo)參量與傳感器輸出量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。與經(jīng)典傳感器一維實(shí)驗(yàn)標(biāo)定/校準(zhǔn)不同的是要進(jìn)行多維標(biāo)定/校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn),然后,按最小二乘法原理由實(shí)驗(yàn)標(biāo)定/校準(zhǔn)數(shù)據(jù)計(jì)算出均方誤差最小條件下的回歸方程中的系數(shù)。這樣,測量時(shí)當(dāng)測得了傳感器的輸出值時(shí),就可由己知系數(shù)的多維回歸方程來計(jì)算出相應(yīng)的輸入被測目標(biāo)參數(shù)。非線性校正和溫度補(bǔ)償都需要幾次調(diào)用浮點(diǎn)數(shù)加法和浮點(diǎn)數(shù)乘法運(yùn)算的子程序來求得結(jié)果。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)
本文采用ADμC812單片機(jī)設(shè)計(jì)硬件電路,這種芯片內(nèi)不僅集成了可重新編程非易失性閃速/電擦除程序存儲(chǔ)器的高性能8位MCU,還包含了高性能的自校準(zhǔn)8通道ADC及2通道12位DAC,使硬件電路設(shè)計(jì)簡單,體積小,攜帶方便并減小誤差。采用與PC機(jī)通信,完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)打印等功能, 便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集中監(jiān)控。在抗干擾方面,本文硬件采用低通濾波器和軟件采用復(fù)合濾波法來克服隨機(jī)誤差,提高了系統(tǒng)在不同場合下工作的穩(wěn)定性。
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