康亞杰

(延安大學(xué) 西安創(chuàng)新學(xué)院，西安 710010 )

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智能傳感器的研究與設(shè)計(jì)

康亞杰

(延安大學(xué) 西安創(chuàng)新學(xué)院，西安 710010 )

隨著科技的不斷進(jìn)步，傳感器在自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。但是隨著科技的發(fā)展，普通的傳感器已經(jīng)不能滿足工程技術(shù)發(fā)展的要求，傳感器越來(lái)越趨向于智能化。本文研究了一種智能傳感器，其應(yīng)用更加廣泛，而且更加智能化、精度更加精確。智能傳感器采用的是軟硬件結(jié)合，連接到網(wǎng)絡(luò)后，通過(guò)智能控制理論對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣處理，進(jìn)而形成了有處理功能的、帶有溫度控制、邏輯等功能的智能化溫度傳感器，本文只針對(duì)智能傳感器的理論及硬件部分進(jìn)行論述。

智能溫度傳感器；FPGA；非線性校正；在線標(biāo)校；RS-422 串行通訊接口

智能傳感器的設(shè)計(jì)涉及多門(mén)學(xué)科，是當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的一門(mén)技術(shù)。它涉及了自動(dòng)化控制、化工等多個(gè)領(lǐng)域，目前主要應(yīng)用在軍事、航天、工廠、儀器等方面。研究智能傳感器具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，本設(shè)計(jì)研究的智能溫度傳感器能夠在一段長(zhǎng)時(shí)間工作后不需拆卸就能校對(duì)精度，也不需要主控機(jī)再對(duì)其控制，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

1 智能溫度傳感器的實(shí)現(xiàn)方法

智能傳感器能夠克服原始傳感器自身存在的不足，從而獲得更高的穩(wěn)定性、便捷性、高分辨率、適應(yīng)性等高性能。智能溫度傳感器是在原有的傳感器硬件基礎(chǔ)之上加上了微處理器加以控制，微處理器是實(shí)現(xiàn)智能控制的關(guān)鍵。實(shí)現(xiàn)智能化控制的方法有：非線性校正、在線校對(duì)、查表法、曲線擬合等方法，介于篇幅限制，本文主要圍繞非線性校正、查表法以及曲線擬合法進(jìn)行主要闡述[1]。

(1)非線性自校正

非線性校正指的是輸入、輸出的校對(duì)曲線與擬定直線之間的擬合程度，在傳感器中加入處理器與處理軟件之后可以改善原來(lái)輸入、輸出的非線性引起的誤差，提高工程測(cè)量中的精確度[2]。

為了確保信號(hào)輸出和輸入的是線性曲線，一般元器件使用陶瓷材料，基于此，在智能溫度傳感器系統(tǒng)中，將信號(hào)輸入、輸出的線性曲線(如圖1-1所示)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成反線性曲線(如圖1-2所示)，使信號(hào)在實(shí)際輸出與輸入中呈現(xiàn)直線關(guān)系(如圖1-3所示)。

圖1-1 輸入—輸出特性

圖1-2 反非線性特性u(píng)—x

圖1-3 智能溫度傳感器輸入—輸出

(2)查表法

智能溫度傳感器信號(hào)輸入、輸出線性關(guān)系可用線性插值法表示，其中較為簡(jiǎn)便的方法是查表法，選取若干點(diǎn)畫(huà)折線，逼近非線性曲線，選取的點(diǎn)越多，逼近非線性曲線折線數(shù)量越多，最終得到的信號(hào)輸出值就越真實(shí)，相應(yīng)的程序代碼編寫(xiě)過(guò)程越復(fù)雜[3]。例如，選取四條逼近非線性曲線的折線，設(shè)折線斷點(diǎn)坐標(biāo)分別是(x1，y1)(x2，y2)(x3，y3)(x4，y4)(x5，y5)，則xi對(duì)應(yīng)的yi值(信號(hào)輸出值)的表達(dá)式為：

(1)

式中，k 代表折點(diǎn)的序號(hào)，k =1、 2、3、4、5。因?yàn)閿?shù)據(jù)少，線性插值法主要凸顯的是直線兩端點(diǎn)的信息，不具有普遍性，誤差較大，為了減少誤差，可以采用二次插值法，該方法是選取三個(gè)點(diǎn)(xk-1，yk-1)、(xk，yk)、(xk+1，yk+1)，做出過(guò)該三點(diǎn)的拋物線，接著在傳感器的特性曲線中，將曲線分為n個(gè)區(qū)間，查看信號(hào)檢測(cè)值所在區(qū)間(xk，xk+2)，查表x自變量序列中位置為xk≤x≤xk+1≤xk+2，其所對(duì)應(yīng)的y值得公式為：

(2)

因?yàn)閤的取值在(xk，xk+2)范圍內(nèi)，根據(jù)趨勢(shì)，可以將信號(hào)擬合成拋物線形式，保證信號(hào)輸出點(diǎn)只與其前后兩個(gè)值有關(guān)，縮小誤差，其結(jié)果比線性直線算出來(lái)的結(jié)果更加真實(shí)，且儲(chǔ)存空間也小。

(3)曲線擬合法

在已經(jīng)投入使用的傳感器中一般使用最小二乘法對(duì)非線性曲線進(jìn)行擬合，最小二乘法是現(xiàn)在曲線擬合法中最常用到的方式計(jì)算方法。下面將詳細(xì)介紹其具體操作步驟。

第一步，結(jié)合溫度傳感器開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，對(duì)溫度傳感器和電路系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，獲得標(biāo)準(zhǔn)曲線，用數(shù)字符號(hào)解釋為：加入通過(guò)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)獲得N組標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，測(cè)得輸入值為x1、x2、x3…xN，獲得的輸出值為u1、u2、u3、uN。

第二步，假設(shè)反非線性特性曲線的擬合方程為

(3)

方程中n的值與方程的精確度有關(guān)，當(dāng)n的取值為3時(shí)，根據(jù)式(3)可以得到

(4)

式中的系數(shù)a0、a1、a2、a3為常數(shù)，與實(shí)驗(yàn)環(huán)境有關(guān)。

第三步，采用最小二乘法確定方程中系數(shù)a0、a1、a2、a3的值，并根據(jù)式(4)計(jì)算出xi(ui)的值，將誤差降低到最小，具體方程如下：

(5)

2 智能溫度傳感器硬件設(shè)計(jì)

(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在圖2-1中，整個(gè)系統(tǒng)以FPGA控制器為核心，連接并控制外圍電路，全面采集點(diǎn)錄制電阻溫度變化數(shù)據(jù)并儲(chǔ)存。本系統(tǒng)主要測(cè)五路鉑電阻傳感器上溫度情況，如需要測(cè)更多或者更少傳感器電路溫度數(shù)據(jù)，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，總體原理不變。

(2)XTR105溫度—電流變送器

XTR105是溫度檢測(cè)系統(tǒng)中的溫度—電流變送器。XTR105溫度—電流變送器內(nèi)部主要構(gòu)件是電壓/電流變換器、高精度儀表放大器和0.8mA的精密恒流源，這些零件以三線制的方式進(jìn)行連接，保持這三端電壓平衡，測(cè)量電阻值變化才不會(huì)影響最終結(jié)果，此時(shí)能夠保持儀器電阻值只與RTD電阻值有關(guān)，忽略電線中的電阻值，提高測(cè)量的精確度。XTR105溫度—電流變送器的工作原理是儀器開(kāi)始運(yùn)作以后，電阻上的溫度增加，電阻值變化，XTR105溫度—電流變送器可以將鉑電阻溫度傳感器中電阻值變化變化情況轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)，因?yàn)槿€連接的方式，保持電壓平衡，也間接對(duì)鉑電阻溫度傳感器溫度測(cè)量進(jìn)行線性補(bǔ)償，減小誤差，提高精確度[4]。

圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

在圖2-2中是XTR105溫度—電流變送器外圍電路連接方式，儀器中的輸出電流經(jīng)過(guò)串聯(lián)電阻RL，測(cè)其電壓值，儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，另外外圍電路的電流大小可以通過(guò)測(cè)RL的電壓值換算得到；RTD兩端連有兩個(gè)0.8mA電流源，以供其正常運(yùn)行，并且RTD并聯(lián)一個(gè)置零電阻RZ，置零電阻RZ是RTD溫度最低范圍時(shí)的下限電阻，當(dāng)RTD溫度最低時(shí)，電阻大小為置零電阻RZ的值，XTR105溫度——電流變送器中配置的儀器放大器可以放大RTD和置零電阻RZ在通電情況下的電位差，RCM為整個(gè)系統(tǒng)提供一個(gè)額外電阻，并且為了降低儀器產(chǎn)生的噪音，在RCM電阻兩端并聯(lián)一個(gè)0.01uF的電容。

圖2-2 XTR105 溫度—電流變送器的電路圖

在此電路圖中，除了RL電阻、RZ置零電阻、RTD電阻和RCM電阻外，系統(tǒng)中還有電阻RG和電阻RLIN，因?yàn)殡娮?RG的大小與系統(tǒng)溫度范圍有關(guān)，系統(tǒng)選取不同溫度段的溫度，所以電阻RG的表達(dá)式為：

(6)

電阻RLIN1和電阻RLIN2的表達(dá)式如下：

(7)

我叫馬悅?cè)?，一個(gè)活潑可愛(ài)的女孩兒，今年9歲，是山西省實(shí)驗(yàn)小學(xué)四年三班的學(xué)生。我學(xué)習(xí)成績(jī)優(yōu)異，擅長(zhǎng)拉小提琴，更愛(ài)好讀書(shū)，小說(shuō)、童話故事、歷史書(shū)籍、自然科學(xué)……一本本有趣的書(shū)將我?guī)肓瞬煌氖澜纾撵`總是沉浸在愉悅的書(shū)海中。腹有詩(shī)書(shū)氣自華，我希望自己成為這樣的人！

(8)

在式(6)、式(7)和式(8)三個(gè)式子中，R1=RTD[(TMIN+TMAX)/2]，R2=RTD(TMAX)，RLIN=1KΩ。本系統(tǒng)中，溫度范圍是-30℃—400℃。

(3)信號(hào)調(diào)理部分——電源轉(zhuǎn)換

電源轉(zhuǎn)換顧名思義就是在系統(tǒng)中起到轉(zhuǎn)換電源的作用，將外部提供較大電壓轉(zhuǎn)換到系統(tǒng)所需電壓值，本文筆者所選的系統(tǒng)中使用的電源轉(zhuǎn)換器有三個(gè)，分別是CW78L05、LM136—2.5和TPS70358，以下將詳細(xì)介紹這三個(gè)電源轉(zhuǎn)換器。

CW78L05電源轉(zhuǎn)換器屬于三端穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器兩端所需電壓在7V—20V之間，一般可以替換其他系統(tǒng)中的電極管/電阻器組合，使用CW78L05電源轉(zhuǎn)換器后，系統(tǒng)中的電壓維持在5V，并為系統(tǒng)提供兩個(gè)數(shù)量級(jí)的抗組和低靜態(tài)電流，改善系統(tǒng)中電阻大小，降低系統(tǒng)產(chǎn)生的噪音，合理設(shè)計(jì)電流轉(zhuǎn)換器和電阻安裝位置，對(duì)降低噪音有較大的幫助。除此之外，CW78L05電源轉(zhuǎn)換器內(nèi)部電流限制較大，并具有熱關(guān)斷特性，配合其他的轉(zhuǎn)換器可以較好地穩(wěn)定系統(tǒng)中的電壓，保護(hù)電路及相關(guān)零件。CW78L05的電路設(shè)計(jì)圖如圖2-3所示。

圖2-3 CW78L05電源轉(zhuǎn)換器電路圖

LM136-2.5電源轉(zhuǎn)換器本質(zhì)上是一個(gè)二極管，能保證整個(gè)電路中電壓穩(wěn)定在2.5V，該轉(zhuǎn)換器精度高，溫度偏低，電阻值范圍小。此外，外電路系統(tǒng)中的輸入電壓經(jīng)過(guò)CW78L05電源轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成5V以后，在經(jīng)過(guò)LM136-2.5電源轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成2.5V。LM136-2.5電源轉(zhuǎn)換器的額定電流是10mA，表征其穩(wěn)定性的值為0.02%，溫度每變化10℃，其變化率為0.1%，下圖2-4是LM136-2.5電源轉(zhuǎn)換器電路連接圖。

圖2-4 LM136-2.5電源轉(zhuǎn)換器電路連接圖

電路系統(tǒng)中有FPGA數(shù)字電路和單片機(jī)控制電路，這兩種電路所需要的的電壓分別是3.3V和1.8V，在外部電流輸入該系統(tǒng)時(shí)，電壓較高，經(jīng)過(guò)CW78L05電源轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成5V的電壓，此電壓不滿足FPGA數(shù)字電路和單片機(jī)控制電路所需，即可以使用TPS70358芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換成FPGA和單片機(jī)需要的電壓。并且TPS70358芯片產(chǎn)生的噪音低，能抑制源紋波，可用于電路板和重要器件電壓轉(zhuǎn)換，例如FPGA、單片機(jī)和DSP等中心控制元件。

由此可以看出，智能傳感器中TPS70358芯片輸入電壓由CW78L05電源轉(zhuǎn)換器提供，電流通過(guò)TPS70358芯片轉(zhuǎn)換后提供給FPGA和單片機(jī)控制邏輯器件，TPS70358芯片的電路分布圖如圖2-5，圖中的Vin端是經(jīng)過(guò)CW78L05電源轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的5V電壓輸入端，Vout端是5V電壓經(jīng)過(guò)TPS70358芯片轉(zhuǎn)換后的3.3V電壓輸入端，VCCINT端是5V電壓經(jīng)過(guò)TPS70358芯片轉(zhuǎn)換后的，1.8V電壓輸入端，各電源連有去耦電容并連接到地面。

圖2-5 電源管理芯片TPS70358的電路圖

(4)信號(hào)調(diào)理部分——放大電路

放大電路的作用是將原本較小的穩(wěn)定電壓按一定的比例轉(zhuǎn)換成電路或者儀器運(yùn)行所需的電壓。一般經(jīng)過(guò)外電路電壓電阻—電流轉(zhuǎn)換輸出的電壓范圍時(shí)0.6V—3V，但是電路和儀器運(yùn)行所需的電壓是5V，因此需要將電流流過(guò)放大電路，轉(zhuǎn)換成5V的電壓，本文為了使測(cè)定結(jié)果精確且穩(wěn)定，選用AD623儀表放大器，外接合適電阻，可以將放大效果提高到1000倍，帶寬可達(dá)800kHz，直流特性明顯，在3V—12V的單電源作用下，能夠滿量程輸出，并且線性度較好，溫度變化穩(wěn)定，測(cè)得數(shù)據(jù)可靠。

筆者設(shè)計(jì)的電路中，AD623 芯片的作用不僅是一個(gè)電壓放大器，還能充當(dāng)濾波器，使得波形穩(wěn)定，在圖2-6中顯示的是差分電路圖，表明放大電路的作用原理。在電路圖中，+IN是傳感器傳送的信號(hào)，-IN是外部系統(tǒng)調(diào)節(jié)信號(hào)，兩者相互協(xié)調(diào)可以將系統(tǒng)內(nèi)部電壓轉(zhuǎn)換成0—5V電壓，而且系統(tǒng)中R28=19.1K，R29=6.04K。電路圖中REC是由LM136穩(wěn)壓器提供2.5V的電壓，+VS是由單電源提供5V電壓，-VS端和電源負(fù)極端連接地面，信號(hào)從Pin-6端輸出，并保存，信號(hào)輸出使得轉(zhuǎn)換公式為：

圖2-6 AD623芯片電路分布圖

(9)

式(9)中RG為增益選擇電阻，且RG=MKΩ/(G-1)，G表征電壓放大倍數(shù)，M表示增益量。

(5)A/D模塊的設(shè)計(jì)——ADG506A 模擬選擇開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)

ADG506A模擬選擇開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)有16個(gè)開(kāi)關(guān)，但是僅從中選取一個(gè)開(kāi)關(guān)口控制電路，并且有單雙電源為其供電，還包括4個(gè)通道的選擇地址譯碼器端和一個(gè)使能端EN，整個(gè)ADG506A電路能耗小，漏電少。對(duì)于使能端EN，整個(gè)電路允許模擬量通過(guò)時(shí)，EN選用高電平，當(dāng)電路不允許模擬量經(jīng)過(guò)時(shí)，EN選擇低電平。從圖2-7中可以看出，通道1到16的開(kāi)關(guān)是由4個(gè)通道的選擇地址譯碼器端A和EN端決定，電源電壓為5V，從VDD端輸入，從VSS端輸出，并接地。

圖2-7 ADG506的電路圖

(6)A/D 模塊的設(shè)計(jì)——ADS8322模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

整個(gè)智能傳感器中的精度與分辨率與A/D芯片有關(guān)，需要慎重選取，其選取主要考慮精度、分辨率、速度、電源、接口等是否與系統(tǒng)相匹配，本文筆者選用的是ADS8322模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其精度達(dá)到16位數(shù)字，采樣的速率最高可達(dá)500KHz，電量消耗偏低，內(nèi)部系統(tǒng)所需電壓為2.5V。在實(shí)際操作中，其輸出數(shù)字可以為16位，輸出方式有兩種，第一種是將BYTE調(diào)整到低電平，從DB0—DB15上同時(shí)輸出一位數(shù)字；第二種是先將BYTE調(diào)整到低電平，在從DB0—DB7上讀取8個(gè)較低的數(shù)字，再將BYTE調(diào)整到高電平，從DB0—DB7上讀取8個(gè)較高的數(shù)字，兩次數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，一起保存。ADS8322的轉(zhuǎn)換速率是由外部的始終控制，并且呈正相關(guān)關(guān)系，其電路分布圖如圖2-8所示。

圖2-8 ADS8322電路分布圖

筆者在智能溫度傳感器硬件設(shè)計(jì)部分主要介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、XTR105溫度—電流變送器、信號(hào)調(diào)理電路和A/D模塊的設(shè)計(jì)四大部分，對(duì)K9K8G08U0M存儲(chǔ)電路、STM32F405控制電路和RS422串行接口部分未進(jìn)行介紹，并且現(xiàn)在此三部分研究已經(jīng)很成熟，可以在各個(gè)網(wǎng)站查閱到完整的資料。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要圍繞智能傳感器設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，首先研究非線性校正、查表法、曲線擬合三種能實(shí)現(xiàn)智能化控制方法，其次對(duì)智能溫度傳感器硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)研究，介于篇幅限制，筆者主要敘述了智能溫度傳感器硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)未進(jìn)行敘述，但是現(xiàn)在社會(huì)軟件設(shè)計(jì)研究較硬件設(shè)計(jì)研究成熟。本研究可能有不足之處，筆者會(huì)在未來(lái)進(jìn)行深入研究。

[1] 王巖.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化理論的軟測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2005.

[2] 陳渭泉.軟測(cè)量技術(shù)中的變量選擇方法研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2004.

[3] 趙升.高精密溫度濕度測(cè)試系統(tǒng)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

[4] 薛風(fēng)國(guó).溫度校準(zhǔn)系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法研究[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2012.

責(zé)任編輯：程艷艷

Research and Design of an Intelligent Sensor

KANG Yajie

(Xi′an Innovation College, Yanan University, Xi′an 710010, China)

Along with the continuous progress of science and technology, the application of sensors is more and more wide in the field of automation. However, with the development of science and technology, traditional sensors are unable to meet the requirements of engineering and technology development, sensors tend to be intelligent. This paper studies an intelligent sensor, which is used more and more widely, having the characteristics of intelligence and accuracy. The intelligent sensor with the combination of hardware and software makes data sampling and processing through the intelligent control theory after connecting to the network, so as to form an intelligent temperature sensor with the functions of processing, temperature control and logic. In this paper, the theory of intelligent sensor and parts of hardware are discussed.

intelligent temperature sensor; FPGA; nonlinear calibration; online calibration; RS-422 serial communication interface

2016-08-26

陜西省教育廳項(xiàng)目(15JK0020)

康亞杰(1991-)，女,陜西西安人，博士研究生，主要從事電子信息工程方面研究。

TP212

A

1009-3907(2016)10-0033-06