郭鳳儀，徐維澤，段景春，王志勇,張鳳龍，孫樂，郭博

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧葫蘆島125105；2.赤峰學(xué)院環(huán)境資源系，內(nèi)蒙古赤峰024000)

近年來，隨著我國地質(zhì)勘探水平的不斷提高，水位檢測、溫度檢測、金屬含量檢測等技術(shù)已日趨成熟。但是，當(dāng)進行具體工程應(yīng)用時，還需要考慮很多因素。本文根據(jù)地質(zhì)勘探隊在勘探礦井等自然環(huán)境惡劣、不適合機動車駛?cè)胍约肮ぷ魅藛T長期駐留的情況，提出了無線遠(yuǎn)程檢測方法。檢測系統(tǒng)中的壓力傳感器多選用單晶硅壓力傳感器。因為此種傳感器是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)制成，其壓阻系數(shù)隨溫度變化而變化，且壓阻效應(yīng)原理本身即可引起傳感器輸出的溫度漂移[1]。另外，半導(dǎo)體敏感元件的制作工藝也會帶來傳感器的整體溫漂，這就需要有一套行之有效的方法來解決壓力傳感器自身易受溫度影響所帶來的缺陷。于是提出了一種基于拉格朗日插值的補償方法，大大提高了檢測的可靠性。上位機顯示界面采用LabVIEW 8.5設(shè)計，界面友好、易于操作，不僅能顯示數(shù)據(jù)變化曲線，而且能對數(shù)據(jù)進行實時和分時存儲，當(dāng)發(fā)生故障時，還可以及時進行聲光報警。

1 水位檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

水位檢測系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計思想,由無線通信模塊、信號采集模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)以顯示端控制器為主機，信號采集端控制器為從機。主機發(fā)送開始信號，通過無線電臺傳遞給從機，從機接到信號后，開始進行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)阻抗變換(電壓跟隨)將采集到的數(shù)據(jù)傳給12 bit精度的AD574進行AD轉(zhuǎn)換，再由AVR16使用拉格朗日插值原理進行數(shù)據(jù)處理，然后經(jīng)Max232把這些信號傳遞給上位機LabVIEW進行實時顯示。

2 水位檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 ATmega16的結(jié)構(gòu)和性能特點

ATmega16是ATMEL公司在2002年推出的一款新型AVR高檔單片微處理器。其主要優(yōu)點是芯片本身自帶16 KB Flash程序存儲器、512 B EEPROM、1 KB SRAM數(shù)據(jù)存儲器、看門狗電路以及8通道10 bit A/D轉(zhuǎn)換；附帶SPI同步串口、UART異步串口，在軟件上有效支持C語言和匯編語言[3]。

2.2 AD模塊

AD574A是美國模擬器件公司(Analog Devices)推出的單片高速12 bit逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換芯片，具有外接元件少、功耗低、精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個完整的A/D轉(zhuǎn)換器。其主要功能特性:分辨率為12 bit、非線性誤差小于±1/2 LBS或±1 LBS、轉(zhuǎn)換速率25 μs、模擬電壓輸入范圍0 V～10 V和0 V～20 V或0 V～±5 V和0 V～±10 V兩檔四種、電源電壓±15 V和5 V、數(shù)據(jù)輸出格式為12 bit/8 bit、芯片工作模式全速工作模式和單一工作模式。

2.3 電源模塊

系統(tǒng)中單片機、運算放大器等芯片的工作電壓為直流5 V和15 V，液位變送器和AD574的電源電壓為直流24 V和15 V，所以必須提供不同電壓等級的直流工作電源。

另外，還要求電源尺寸盡量小，能使電源部分與AVR系統(tǒng)中的控制與驅(qū)動部分放在同一個控制盒內(nèi)。整個電路結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，各路輸出之間相互電氣隔離，其中要求控制電源的主輸出功率大，穩(wěn)壓精度為±5%，用作驅(qū)動的各路輸出功率較小，穩(wěn)壓精度為±10%。

2.4 無線通信模塊

主機采用FC222-CH與從機通信。FC222-CH是深圳友訊達公司利用先進的單片機技術(shù)、無線射頻技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)和語音處理技術(shù)設(shè)計的雙向數(shù)據(jù)傳輸及低功耗模塊化電臺。它具有頻點可調(diào)、帶寬可調(diào)、功率可調(diào)、多信道、高編碼效率、接收靈敏度高等優(yōu)點，并提供了RS-232、RS-485和TTL 3種數(shù)據(jù)接口[4，5]。該系統(tǒng)采用此設(shè)備可以滿足泵房供水遠(yuǎn)程控制的需要。在該系統(tǒng)中FC222-CH選擇RS-232數(shù)據(jù)接口。

2.5 鍵盤模塊和顯示模塊

通過鍵盤模塊設(shè)置實際大氣壓和水的密度、存取數(shù)據(jù)時間間隔等系統(tǒng)工作參數(shù)，并將這些工作參數(shù)存儲于Atmega16的EEPROM中，下次使用時，無需用戶再次輸入這些參數(shù)，從而使深水水位檢測系統(tǒng)具有記憶功能。采用PC機進行水位實時顯示，正常運行時顯示水位、溫度、電源供電情況、串口使用以及波特率的設(shè)置情況。發(fā)生故障時以模塊化進行顯示，如AD模塊是否工作、電源模塊是否供電、通訊模塊是否正常等，以便于在出錯的情況下進行維修，并且在串口線接觸不良時采用聲光報警，以提醒人們進行連接。

3 水位檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)的主程序設(shè)計

水位檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化的設(shè)計思想，用C語言編程實現(xiàn)。軟件的各個功能模塊之間通過入口和出口參數(shù)相互聯(lián)系，可以縮短開發(fā)周期。圖3為主程序結(jié)構(gòu)圖。

3.2 數(shù)傳電臺的參數(shù)設(shè)置

數(shù)傳電臺的參數(shù)設(shè)置包括地址碼、版本號、功率等級、信道選擇、空中波特率、串口波特率、數(shù)據(jù)位、校驗方式、頻率逆變模式、帶寬等參數(shù)的設(shè)置。2個電臺的參數(shù)設(shè)置如圖4(a)、圖4(b)所示。

3.3 利用拉格朗日插值法進行數(shù)據(jù)處理

壓阻式傳感器的測量精確度很大程度上受非線性和環(huán)境溫度的影響,如何對傳感器所產(chǎn)生的誤差進行補償就成為設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在硬件上，一般補償方法都是修正橋路電阻的差異性以及橋臂電阻的漏電流、裝配應(yīng)力等，但由于其外圍元件較多會導(dǎo)致穩(wěn)定性差、精確度不高，在復(fù)雜的工況下很難達到理想的預(yù)期效果[1，2]。隨著微處理器技術(shù)在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用,使得通過設(shè)計軟件算法實現(xiàn)傳感器工作特性的自動補償成為可能。本設(shè)計著重分析了單晶硅壓阻式壓力傳感器工作特性曲線的變化,給出了一種對其誤差進行修正的軟件算法，可在很寬的溫度范圍內(nèi)保證傳感器的精確度幾乎不變,并可廣泛移植于其他壓阻式壓力傳感器的補償設(shè)計。

設(shè)函數(shù)在區(qū)間[a，b]上n+1個互異節(jié)點x0，x1…xn上的函數(shù)值分別為y0，y1…yn，求n次插值多項式pn(x)，滿足條件:

其中l(wèi)0(x)，l1(x)…ln(x)為以x0，x1…xn為節(jié)點的n次插值基函數(shù)，則Ln(x)是一個次數(shù)不超過n的多項式，且滿足:

再由插值多項式的唯一性，得:

表示的插值多項式稱為拉格朗日插值多項式。

插值多項式的余項Rn(x)=fn(x)-ln(x)，也就是插值的截斷誤差或方法誤差，則插值多項式Ln(x)的余項為:

其中ξ=ξ(x)∈(a，b)

隨著壓強的增大電壓逐漸增大，經(jīng)多次實驗，可測得如下有效數(shù)據(jù)，見表1。

由于實驗測得的數(shù)據(jù)存在一定的微小的誤差，所以應(yīng)該使用濾波手段，去偽存真，得到所需要的近似值。在此采用冒泡法進行處理，去掉最大最小值，然后取算數(shù)平均值(注:0.1 Mpa即在地面測的電壓值，對應(yīng)1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)。

表1 壓強與電壓對應(yīng)關(guān)系圖

U0:第一組測得的電壓值。

U1:第二組測得的電壓值。

U2:第五組測得的電壓值。

x(n):濾波后的電壓值，n取1、2、3、4、5分別對應(yīng)5個壓強采集點。

利用拉格朗日插值算法對其進行解析:

4 上位機LabVIEW顯示模塊

LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，類似于C和BASIC。但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區(qū)別是:其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而Lab-VIEW使用圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序為框圖形式。

主機端的上位機程序由LabVIEW軟件編寫，可對從現(xiàn)場采集到的各種實時信號進行處理，界面友好、易于操作，對因故障引起的斷路問題可實現(xiàn)聲光報警，安全可靠。

5 系統(tǒng)可靠性設(shè)計

5.1 測試實驗時出現(xiàn)的問題

實驗環(huán)境:

(1)將探頭接到300 m鎧裝電纜上，放進室外5 m深鐵質(zhì)水管中，環(huán)境適宜。

(2)在電臺測試時采用12 V的直流電源，電臺的功率為5 W，實驗距離為1 000 m，并且電臺2的天線高度保持在3.4 m不變。

這種情況下會產(chǎn)生以下問題:

(1)有時會出現(xiàn)電路接觸不可靠、微處理器復(fù)位、死機、外殼漏電。

(2)上位機顯示信號抖動，失真嚴(yán)重。

(3)無線通信的信號質(zhì)量差。

圖5為實驗中的水位曲線。

5.2 問題的解決方案

根據(jù)以上問題提出了如下解決方案:

(1)針對電路接觸不可靠的問題，采用PCB板代替銅模實驗板，并在PCB制板過程中采取了抗干擾措施，例如布線時電源線和地線盡量寬；數(shù)字地和模擬地分開布線；合理配置去耦電容；電路板進行覆銅等[6]。

(2)針對微處理器死機、復(fù)位等問題，采取軟硬件相結(jié)合的抗干擾措施。在硬件上采用光電隔離技術(shù)；軟件上設(shè)置標(biāo)志位；關(guān)鍵出口驗證；對通信發(fā)送指令等重要指令采用指令冗余技術(shù)；在RAM中設(shè)定上電復(fù)位標(biāo)志[7]。

(3)針對不潔凈電源以及電源間的互相干擾，采用開關(guān)電源分別供電的方法進行處理。

(4)由于電纜長度為300 m，會在導(dǎo)線間形成分布電容，并且多余的電纜纏繞在卷筒上，等效一個大電感，會對電路穩(wěn)定性造成影響，因此采用軟件濾波(冒泡法)的方法進行彌補。處理后圖形如圖6。

此次設(shè)計的系統(tǒng)已經(jīng)成功運行了2個月，沒有出現(xiàn)任何故障現(xiàn)象。通過現(xiàn)場實驗表明:該整定方法能有效減小測量誤差，滿足現(xiàn)場的使用要求，保證系統(tǒng)的可靠運行。同時提出的可靠性設(shè)計方案對同類產(chǎn)品的設(shè)計和應(yīng)用具有一定的借鑒價值。

[1]樊尚春，彭春榮.硅壓阻式傳感器的溫度特性及其補償[J].微納電子技術(shù)，2003:(Z1)484-488.

[2]李永科，田慶民，董海瑞.壓阻式壓力傳感器輸出特性補償[J].傳感器技術(shù)，2004，23(6):34-37.

[3]潘朝霞，殷慧中，王毅.基于Atmega16單片機的電磁敏感測量系統(tǒng)的研究[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2005，24(2):63～65.

[4]劉為國.無線數(shù)傳電臺在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用與設(shè)計[J].礦山機械，2008，36(8):44-46.

[5]張峰，石現(xiàn)峰.基于無線數(shù)傳技術(shù)的遠(yuǎn)程水井監(jiān)控系統(tǒng)[J].自動化儀表，2008，29(12):64-66.

[6]王幸之，翟成，王閃.單片機應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2000:56-57.

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