《電子技術(shù)應(yīng)用》
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嵌入式壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)溫漂誤差精確補(bǔ)償方法
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2010年第6期
鄒天剛,, 杜明剛, 楊正龍,, 楊 陽(yáng)
中國(guó)北方車輛研究所 車輛傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,,北京100072
摘要: 設(shè)計(jì)了一個(gè)嵌入式特種車輛油缸壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),。通過(guò)選用小型隔離膜片式壓力傳感器和高共模抑制比的測(cè)量放大電路實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)溫度漂移誤差硬補(bǔ)償,,利用微控制器實(shí)現(xiàn)B樣條曲線擬合系統(tǒng)測(cè)量誤差的軟補(bǔ)償算法。實(shí)驗(yàn)表明,,通過(guò)軟硬補(bǔ)償算法的結(jié)合,,整個(gè)系統(tǒng)的溫漂非線性降低到滿量程的0.05%之內(nèi),該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)在某型樣車中使用,。
中圖分類號(hào): TP212
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
An accurate thermal errors compensating method for embedded pressure measuring system
ZOU Tian Gang, DU Ming Gang, YANG Zheng Long, YANG Yang
National Key Lab of Vehicular Transmission, China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072,, China
Abstract: The embedded real-time pressure measuring system is designed for armored cars. To compensating the thermal errors, the pressure sensor of isolation membrane and the amplifier with high common-mode rejection ratio are used as hard-compensation, and the curve fitting algorithm based on B-spline is adopted in microcontroller unit(MCU) for the system thermal errors soft-compensation. The experimental results show that the pressure non-linearity of whole system is improved to 0.05% full scale (FS),and the pressure measuring system has already been applied in a prototype car.
Key words : real-time measure; common-mode rejection ratio; temperature drift; compensation

   隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,特種車輛的性能越來(lái)越高,,系統(tǒng)構(gòu)成越來(lái)越復(fù)雜,、精密,采用嵌入式傳感器實(shí)現(xiàn)眾多工況參數(shù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè),,是未來(lái)車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1],。同時(shí)由于車輛結(jié)構(gòu)的緊湊,要求實(shí)現(xiàn)小型嵌入式傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng),。否則,,許多故障點(diǎn)無(wú)法直接監(jiān)測(cè),只能通過(guò)測(cè)量外圍相關(guān)參數(shù)換算得到,,換算結(jié)果的正確與否不得而知,,從而可能導(dǎo)致更大的經(jīng)濟(jì)損失。隨著微電子技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展,,使小型壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為可能,。本文采用先進(jìn)的壓力傳感器器件,結(jié)合精密放大電路和低功耗高性能處理器,,構(gòu)成嵌入式特種車輛行星變速機(jī)構(gòu)操縱壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),,并通過(guò)測(cè)量電路和補(bǔ)償算法的綜合應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的高精度誤差補(bǔ)償,。
1 嵌入式壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟硬補(bǔ)償方法實(shí)現(xiàn)
1.1 壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

 特種車輛的行星變速機(jī)構(gòu)位于綜合傳動(dòng)裝置大箱體內(nèi),,周圍空間狹小而且部分浸泡在潤(rùn)滑油中,溫度高達(dá)135 ℃,。通過(guò)論證,,選擇一種小型隔離膜片式壓力傳感器,并將其安裝在油缸附件的油道上,,通過(guò)精密儀表放大器將信號(hào)放大后,,采用高有效位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將其量化,并用ATMEL公司的AVR系列微控制器(MCU)[2]完成數(shù)據(jù)處理,,再通過(guò)CAN2.0總線將處理結(jié)果提供給操作人員,,以達(dá)到保護(hù)車輛綜合傳動(dòng)裝置的目的。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示,。

   由于系統(tǒng)工作溫度范圍比較寬(-20 ℃~135 ℃),,因此溫度變化對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量誤差影響最大,本文著重研究并實(shí)現(xiàn)了由于溫度漂移引起的測(cè)量誤差的補(bǔ)償處理方法[3],。整個(gè)系統(tǒng)的補(bǔ)償方法包括電路硬補(bǔ)償和算法軟補(bǔ)償兩部分,,硬補(bǔ)償包含傳感器本身的工藝調(diào)制補(bǔ)償和放大電路補(bǔ)償;軟補(bǔ)償是通過(guò)在MCU內(nèi)嵌入B樣條溫度補(bǔ)償算法來(lái)實(shí)現(xiàn),。
1.2 硬補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)
   系統(tǒng)采用硅壓阻式壓力傳感器,,它具有體積小、靈敏度高,、分辨率高等特點(diǎn),,被廣泛采用。但溫度漂移是硅壓阻式傳感器的最大弱點(diǎn),,它包括零點(diǎn)溫度漂移和靈敏度溫度漂移,。由于組成電橋的4個(gè)電阻的阻值不可能完全一致,當(dāng)輸入壓力為零時(shí),,電橋輸出不為零,,具有零點(diǎn)偏移。靈敏度溫度漂移主要是由半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)隨溫度的變化而發(fā)生變化造成的,,一般地說(shuō),,壓阻式傳感器的靈敏度隨溫度的升高而下降[4]。
 本系統(tǒng)選用美國(guó)某公司的小型硅壓阻式傳感器,,其最大量程為300 psi(1 psi=6.895 kPa),,輸出電壓為0~100 mV,非線性度為±0.1%,。傳感器通過(guò)對(duì)陶瓷基座上的厚膜電阻進(jìn)行激光修阻,,實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的溫度補(bǔ)償及零點(diǎn)偏差調(diào)整。其內(nèi)部提供的激光修正電阻用來(lái)調(diào)節(jié)外部放大器的增益,,從而保證傳感器±0.1%互換性量程,,電路原理圖如圖2所示。

   由于傳感器最小分辨率為微伏級(jí),,極易在傳輸和測(cè)量時(shí)產(chǎn)生干擾,,造成結(jié)果失真,因此必須采用一個(gè)高精度,、高共模抑制比的測(cè)量放大電路進(jìn)行小信號(hào)的放大處理,。
 本系統(tǒng)采用了具有差分輸入和閉環(huán)增益單元的儀表放大器INA128作為前端放大電路來(lái)做硬補(bǔ)償。儀表放大器的兩個(gè)輸入端阻抗平衡并且阻值很高,,輸入偏置電流很低,,并具有很低的輸出阻抗,共模抑制為100 dB,即可將共模電平產(chǎn)生的任何誤差減小到100 dB,。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示,,正好與圖2所示的硬補(bǔ)償電路中的放大器相符,。

1.3  軟補(bǔ)償算法實(shí)現(xiàn)
 系統(tǒng)通過(guò)硬補(bǔ)償后,將電壓信號(hào)經(jīng)24 bit量化的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采樣后送給MCU進(jìn)行后續(xù)處理,。MCU采用ATMEL公司的ATmega32,,其數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz,利用MCU的數(shù)據(jù)處理能力,,實(shí)現(xiàn)了基于B樣條的溫漂補(bǔ)償處理算法,。之所以采用B樣條曲線來(lái)擬合壓力傳感器的溫度系數(shù),是因?yàn)锽樣條曲線具有局部控制特性,,曲線只在改變了的控制點(diǎn)附近才改變形狀,;并且,B樣條曲線可以隨意增加控制點(diǎn),,而不提高曲線的階次,,對(duì)于不同的應(yīng)用選擇控制點(diǎn)數(shù),可以滿足不同的擬合要求[5],。
 樣條是一個(gè)分段多項(xiàng)式函數(shù),,k階(k-1次)B樣條曲線的表達(dá)式是:
  
 當(dāng)分母為零時(shí),定義分式的值為零,。其中ti表示控制點(diǎn)節(jié)點(diǎn)值,,它控制曲線形狀,節(jié)點(diǎn)值從t0到tn+4。在本系統(tǒng)中使用的是非封閉曲線,,因此ti取值規(guī)則如下:
   
 在MCU中實(shí)現(xiàn)基于B樣條的補(bǔ)償算法,考慮到B樣條為非封閉曲線,,由式(4)和式(5)確定控制點(diǎn)的選取應(yīng)多于4個(gè)??紤]到補(bǔ)償算法的實(shí)時(shí)性,,對(duì)計(jì)算速度也提出了一定的要求,控制點(diǎn)也不宜太大,。綜合上述原因,,取n=6,對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行樣本采集,,通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算,,根據(jù)B樣條曲線的計(jì)算公式,推導(dǎo)控制節(jié)點(diǎn)值ti,,編寫(xiě)3次B樣條調(diào)和函數(shù)的求解程序,,對(duì)每一個(gè)控制點(diǎn)計(jì)算一個(gè)補(bǔ)償系數(shù)C(u),并將補(bǔ)償系數(shù)寫(xiě)入相應(yīng)的Flash寄存器中。系統(tǒng)正常工作時(shí),,通過(guò)車輛溫度傳感器獲得壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作的溫度值,,并讀取相應(yīng)寄存器的補(bǔ)償系數(shù),對(duì)測(cè)量值進(jìn)行補(bǔ)償,即可得到經(jīng)過(guò)校正以后的壓力輸出,。
2 軟,、硬補(bǔ)償方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果
 實(shí)驗(yàn)時(shí),將壓力傳感器置于150 psi恒壓環(huán)境下,,對(duì)壓力傳感器信號(hào)經(jīng)放大后的輸出電壓進(jìn)行測(cè)量,。如果系統(tǒng)不受溫漂影響的話,理論上輸出電壓應(yīng)穩(wěn)定在2.5 V,。在不同溫度下經(jīng)硬補(bǔ)償后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

 按照表1中的數(shù)據(jù)作一條曲線,,與理想輸出比較,,如圖4所示。明顯可以看到,,輸出隨溫度的變化呈現(xiàn)的不是一條直線,,而是非線性的變化,說(shuō)明通過(guò)前面硬補(bǔ)償后,,雖然非線性可限制在滿量程的0.1%內(nèi),,對(duì)于精度要求高的系統(tǒng)還是不滿足要求,需進(jìn)一步做軟補(bǔ)償。

    硬補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)在MCU內(nèi)再使用B樣條軟補(bǔ)償算法進(jìn)行校正,,校正后的結(jié)果如表2所示,。

 由表2可知,系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)軟補(bǔ)償后,,7個(gè)溫度點(diǎn)的測(cè)量值與理論值相比,,誤差小了很多,與只進(jìn)行硬補(bǔ)償相比,,誤差可減小到1/5左右,,軟、硬補(bǔ)償后誤差曲線如圖5所示,。

    本文著重研究了對(duì)于新型特種車輛中高精度壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的溫漂誤差補(bǔ)償方法,。與傳統(tǒng)方法相比,本方法主要特點(diǎn)是采用了硬補(bǔ)償和軟補(bǔ)償結(jié)合的方式,。硬補(bǔ)償包含傳感器本身的工藝調(diào)制補(bǔ)償和放大電路補(bǔ)償,;軟補(bǔ)償是通過(guò)在MCU內(nèi)嵌入B樣條曲線擬合進(jìn)行溫度補(bǔ)償。與其他方法相比,,本方法易于實(shí)現(xiàn),,擬合誤差小,使系統(tǒng)的精度得到較大的提高,,并提高了系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性,。該系統(tǒng)已經(jīng)在某樣車中試用,運(yùn)行狀況良好,補(bǔ)償精度高,,具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值,。

參考文獻(xiàn)
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