- 采用嵌入式傳感器實現眾多工況參數的實時在線監測
- 采用壓力傳感器器件如何實現油缸監測
- 硬補償電路設計簡介
- 軟補償算法實現簡介
隨著現代科學技術的發展，特種車輛的性能越來越高，系統構成越來越復雜、精密，采用嵌入式傳感器實現眾多工況參數的實時在線監測，是未來車輛狀態監測和故障診斷系統發展的必然趨勢。同時由于車輛結構的緊湊，要求實現小型嵌入式傳感器監測系統。否則，許多故障點無法直接監測，只能通過測量外圍相關參數換算得到，換算結果的正確與否不得而知，從而可能導致更大的經濟損失。隨著微電子技術和信號處理技術的發展，使小型壓力監測系統的實現成為可能。本文采用先進的壓力傳感器器件，結合精密放大電路和低功耗高性能處理器，構成嵌入式特種車輛行星變速機構操縱壓力實時監測系統，并通過測量電路和補償算法的綜合應用，實現了監測系統的高精度誤差補償。
1 嵌入式壓力監測系統軟硬補償方法實現
1.1 壓力監測系統簡介
特種車輛的行星變速機構位于綜合傳動裝置大箱體內，周圍空間狹小而且部分浸泡在潤滑油中，溫度高達135 ℃。通過論證，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，通過精密儀表放大器將信號放大后，采用高有效位的模數轉換器（ADC）將其量化，并用ATMEL公司的AVR系列微控制器（MCU）完成數據處理，再通過CAN2.0總線將處理結果提供給操作人員，以達到保護車輛綜合傳動裝置的目的。系統原理框圖如圖1所示。
由于系統工作溫度范圍比較寬(-20 ℃~135 ℃)，因此溫度變化對系統的測量誤差影響最大，本文著重研究并實現了由于溫度漂移引起的測量誤差的補償處理方法。整個系統的補償方法包括電路硬補償和算法軟補償兩部分，硬補償包含傳感器本身的工藝調制補償和放大電路補償；軟補償是通過在MCU內嵌入B樣條溫度補償算法來實現。
1.2 硬補償電路設計
系統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，被廣泛采用。但溫度漂移是硅壓阻式傳感器的最大弱點，它包括零點溫度漂移和靈敏度溫度漂移。由于組成電橋的4個電阻的阻值不可能完全一致，當輸入壓力為零時，電橋輸出不為零，具有零點偏移。靈敏度溫度漂移主要是由半導體材料的壓阻系數隨溫度的變化而發生變化造成的，一般地說，壓阻式傳感器的靈敏度隨溫度的升高而下降。
本系統選用美國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%。傳感器通過對陶瓷基座上的厚膜電阻進行激光修阻，實現對傳感器的溫度補償及零點偏差調整。其內部提供的激光修正電阻用來調節外部放大器的增益，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，極易在傳輸和測量時產生干擾，造成結果失真，因此必須采用一個高精度、高共模抑制比的測量放大電路進行小信號的放大處理。
本系統采用了具有差分輸入和閉環增益單元的儀表放大器INA128作為前端放大電路來做硬補償。儀表放大器的兩個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，即可將共模電平產生的任何誤差減小到100 dB。其內部結構如圖3所示，正好與圖2所示的硬補償電路中的放大器相符。
1.3 軟補償算法實現
系統通過硬補償后，將電壓信號經24 bit量化的模數轉換器（ADC）采樣后送給MCU進行后續處理。MCU采用ATMEL公司的ATmega32，其數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，利用MCU的數據處理能力，實現了基于B樣條的溫漂補償處理算法。之所以采用B樣條曲線來擬合壓力傳感器的溫度系數，是因為B樣條曲線具有局部控制特性，曲線只在改變了的控制點附近才改變形狀；并且，B樣條曲線可以隨意增加控制點，而不提高曲線的階次，對于不同的應用選擇控制點數，可以滿足不同的擬合要求。
樣條是一個分段多項式函數，k階(k-1次)B樣條曲線的表達式是：
當分母為零時，定義分式的值為零。其中ti表示控制點節點值，它控制曲線形狀,節點值從t0到tn+4。在本系統中使用的是非封閉曲線，因此ti取值規則如下：
在MCU中實現基于B樣條的補償算法,考慮到B樣條為非封閉曲線，由式(4)和式(5)確定控制點的選取應多于4個。考慮到補償算法的實時性，對計算速度也提出了一定的要求，控制點也不宜太大。綜合上述原因，取n=6，對傳感器數據進行樣本采集，通過單片機進行運算，根據B樣條曲線的計算公式，推導控制節點值ti，編寫3次B樣條調和函數的求解程序，對每一個控制點計算一個補償系數C(u),并將補償系數寫入相應的Flash寄存器中。系統正常工作時，通過車輛溫度傳感器獲得壓力監測系統工作的溫度值，并讀取相應寄存器的補償系數，對測量值進行補償，即可得到經過校正以后的壓力輸出。
2 軟、硬補償方法實驗結果
實驗時，將壓力傳感器置于150 psi恒壓環境下，對壓力傳感器信號經放大后的輸出電壓進行測量。如果系統不受溫漂影響的話，理論上輸出電壓應穩定在2.5 V。在不同溫度下經硬補償后實測數據如表1所示。
按照表1中的數據作一條曲線，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的不是一條直線，而是非線性的變化，說明通過前面硬補償后，雖然非線性可限制在滿量程的0.1%內，對于精度要求高的系統還是不滿足要求,需進一步做軟補償。
硬補償后的數據在MCU內再使用B樣條軟補償算法進行校正，校正后的結果如表2所示。
由表2可知，系統在經過軟補償后，7個溫度點的測量值與理論值相比，誤差小了很多，與只進行硬補償相比，誤差可減小到1/5左右，軟、硬補償后誤差曲線如圖5所示。
本文著重研究了對于新型特種車輛中高精度壓力監測系統的溫漂誤差補償方法。與傳統方法相比，本方法主要特點是采用了硬補償和軟補償結合的方式。硬補償包含傳感器本身的工藝調制補償和放大電路補償；軟補償是通過在MCU內嵌入B樣條曲線擬合進行溫度補償。與其他方法相比，本方法易于實現，擬合誤差小，使系統的精度得到較大的提高，并提高了系統的魯棒性和穩定性。該系統已經在某樣車中試用，運行狀況良好，補償精度高，具有很好的推廣應用價值。
