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0 引言 隨著(zhù)高性能計算機測控系統的發(fā)展，傳統傳感器已不再與其測控系統相適應�？刂葡到y要求傳感器具備較強的信息處理和自我管理能力，以實(shí)現信息的采集與信息的預處理，減輕控制計算機的數據處理負擔和提高整個(gè)測控系統的可靠性。然而計算機則著(zhù)重于信息的高層次加工和處理，便于在現有硬件條件下大幅度提高系統的性能，簡(jiǎn)化系統的結構。智能傳感器系統就是為了更好地適應計算機測控系統的發(fā)展而提出的一個(gè)新的研究方向。 一個(gè)壓力傳感器，當壓力參量恒定而溫度變化時(shí)，其輸出值也發(fā)生改變，即這個(gè)壓力傳感器存在溫度參量的復合靈敏度。當傳感器存在復合靈敏度時(shí)，就會(huì )致使其性能不穩定，測量精度低。多傳感器信息融合技術(shù)就是通過(guò)對多個(gè)參數的監測并采用一定的信息處理方法來(lái)提高每一個(gè)參量的測量精度。在只要求測量一個(gè)目標參量的場(chǎng)合，為提高被測目標參量的測量精度，把其他參量當作干擾量，消除其影響，使每個(gè)參量測量精度都獲得提高，所以傳感器信息融合技術(shù)為開(kāi)發(fā)多功能傳感器系統開(kāi)辟了途徑。本文主要討論智能壓力傳感器技術(shù)應用和數據融合技術(shù)的研究。 1 智能壓力傳感器的硬件設計 圖1為智能壓力傳感器的硬件框圖。在本設計中，硬件系統的組成分為2部分： (1)傳感器輸出信號的預處理部分。主要由信號調理電路組成，包括對靜壓和溫度傳感器的恒壓源電路的設計，以及對傳感器輸出信號進(jìn)行濾波放大。 (2)信號分析處理部分，將模擬信號轉換為數字信號，并完成對信號的分析處理。 在信號處理部分，本文著(zhù)重采用ADuC812單片機設計硬件電路，結構簡(jiǎn)單，體積小，其功能方框圖如圖2所示。由圖2可知ADuC812單片機與其他單片機不同的特點(diǎn)：芯片內不僅集成了可重新編程非易失性閃速/電擦除程序存儲器的高性能8位(與8051兼容)MCU，還包含了高性能的自校準8通道ADC及2通道12位DAC;與所有8051兼容的器件一樣，對于程序和數據存儲器，ADuC812具有各自獨立的地址空間，如64 KB外部程序地址空間和16 MB外部數據地址空間，但與其他器件不同的是，它包含了片內閃速存儲器技術(shù)，可以向用戶(hù)提供8 KB的閃速/電擦除程序存儲器、640 KB的閃速/電擦除數據存儲器;芯片集成了全部輔助功能塊，可以充分支持可編程的數據采集核心。這些輔助功能塊包括看門(mén)狗定時(shí)器(WDT)、電源監視器(PSM)以及ADCDMA功能。另外，為多處理器接口和I/O擴展提供了32條可編程的I/O線(xiàn)、IZC兼容的SPI和標準UART串行端口。 在本文中，將ADuC812單片機P1口的P1.0，P1.1和P1.2作為三路信號輸入通道。其中一路輸入溫度信號，一路輸入靜壓信號，一路接地，這一路可配合相應的軟件來(lái)降低溫漂和系統誤差  1.7口接發(fā)光二極管，用于監測單片機是否正常工作：P2口的P2.0和P2.1作為液晶顯示的輸入脈沖和數據端3口的P3.0(RXD)和P3.1(TXD)外接一片MAX232，進(jìn)行電平轉換，實(shí)現和PC機的通信。本設計采用外部時(shí)鐘產(chǎn)生方式.晶體頻率為11.059 2 MHz，采用內部基準，在7引腳(CRER)與AGND之間連接0.1μF的電容。電源復位電路采用MAX708芯片進(jìn)行復位。硬件設計中最大的亮點(diǎn)是硬件電路簡(jiǎn)潔，ADuC812單片機不用外接A/D和D/A轉換器，不占用大量的空間，并且具有可重新編程非易失性閃速/電擦除程序存儲器，調試簡(jiǎn)單。2 多傳感器數據融合算法的選擇 目前應用在智能壓力傳感器的融合算法主要有2種，分別為多維回歸分析法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法。 2.1 多維回歸分析法 回歸分析法的基本思想是：用多維回歸方程來(lái)建立被測目標參量與傳感器輸出量之問(wèn)的對應關(guān)系。與經(jīng)典傳感器一維實(shí)驗標定/校準不同的足要進(jìn)行多維標定/校準實(shí)驗，通過(guò)最小二乘法原理由實(shí)驗標定/校準數據計算出回歸方程中的系數。這樣，當測得傳感器輸出值時(shí)，就可由已知系數的多維回歸方程來(lái)計算出相應的輸入被測目標參數。具體的算法是已知壓力傳感器輸出電壓U代表壓力信息，另一溫度傳感器輸出電壓Ut代表溫度信息，則壓力參量P’可以用U及Ut二元函數來(lái)表示才完備，即： 由最小二乘法原理得到系數a0～a5，代入二維回歸方程中，確定檢測壓力P’和輸出U的二元輸入-輸出特性。當采集到二個(gè)傳感器的輸出值U及Ut時(shí)，代入式中就可以計算得到傳感器的被測參量P’。 2.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法 神經(jīng)元之間的連接方式不同，網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構也不同。根據神經(jīng)元之間的連接方式，可將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )結構分為2大類(lèi)，層次型結構和互聯(lián)型結構。層次型結構的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )將神經(jīng)元按功能分成若干層，如輸入層、中間層(也稱(chēng)為隱層)和輸出層，各層順序相連。輸入層各神經(jīng)元負責接受來(lái)自外界的輸入信息，并傳遞給中間各隱層神經(jīng)元;隱層是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的內部信息處理層，負責信息變換;最后隱層傳遞到輸出層各神經(jīng)元的信息經(jīng)近一步處理后由輸出層向外界輸出信息處理結果。圖3給出一個(gè)單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型，它具有2個(gè)輸入，每個(gè)輸入都通過(guò)一個(gè)適當的權值w和下一層相連，網(wǎng)絡(luò )輸出可以表示為式(1)，f是表示輸入/輸出關(guān)系的傳遞函數。 式中：xi為節點(diǎn)接受的信息;wij為相關(guān)連接權重;y為節點(diǎn)輸出;θ為閾值;n為節點(diǎn)數。如上所述，建立一個(gè)三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型，把實(shí)驗標定的樣本數據輸入網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行學(xué)習訓練后，再進(jìn)行交叉敏感的消除，從而達到數據融合的目的。 由以上的討論可以看出，多維回歸算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法均能有效達到溫度補償的效果。前者算法簡(jiǎn)單，容易理解，但是數據融合能力有限，補償程度不如后者;后者數據融合能力強，補償效果明顯，但是算法較難理解，軟件編程工作量大。在本設計中，多維回歸融合算法可以滿(mǎn)足要求，并且軟件編程工作量小，所以本文采用多維回歸算法補償溫度對壓力傳感器的影響。 3 智能壓力傳感器數據融合的應用 3.1 溫度敏感元件的標定 對傳感器進(jìn)行靜態(tài)標定，標定系統由YJF型浮球式標準壓力計、HT-1714C直流穩壓電源、34401 A型數字萬(wàn)用表、奔騰4PC機和自制的控溫系統組成。在此分別對傳感器在27℃，37 ℃，47 ℃，57℃，67℃的溫度條件下做了靜態(tài)標定，如表1所示。 從以上計算所得的結果可以看出，補償結果都有提高，說(shuō)明本文的設計方案是可行的。 3.2.3 誤差分析 誤差來(lái)源主要有3個(gè)方面： (1)壓力實(shí)驗時(shí)用浮球式壓力計存在壓力誤差，因為加壓時(shí)要用肉眼觀(guān)察壓力基準，由此產(chǎn)生誤差; (2)壓力、溫度結果計算擬合參數時(shí)有計算誤差，此誤差很小; (3)采集數據誤差，放大器對壓力傳感器輸出數據的放大和進(jìn)行A/D轉換都會(huì )產(chǎn)生誤差。 3.2.4 創(chuàng )新點(diǎn) (1)本文采用ADuC812單片機設計硬件電路，這種芯片內不僅集成了可重新編程非易失性閃速/電擦除程序存儲器的高性能8位MCU，還包含了高性能的自校準8通道ADC及2通道12位DAC，使硬件電路設計簡(jiǎn)單，體積小，攜帶方便并減小誤差。 (2)針對傳感器測量的溫度漂移和非線(xiàn)性等問(wèn)題，提出了利用多傳感器信息融合技術(shù)，即曲面擬合法和曲線(xiàn)擬合法來(lái)加以解決，使算法簡(jiǎn)單，數據融合能力強，補償效果明顯。 4 結語(yǔ) 本文著(zhù)重采用ADuC812單片機設計硬件電路，結構簡(jiǎn)單，體積小，攜帶方便;通過(guò)多維回歸分析法消除多參數狀態(tài)下復合靈敏度對傳感器的影響，保證對特定參數測量的分辨能力，提高傳感器的精度。 實(shí)驗結果表明，該系統具有精度高，功能強，體積小的特點(diǎn)，適合航空、海洋、化學(xué)等場(chǎng)所的應用。 |
