（精密仪器及机械专业论文）加速度传感器数字化关键技术研究.pdf

中北大学学位论文加速度传感器数字化关键技术研究捅要当前，数字化技术及网络技术飞速发展，作为测试系统的源端，传感器输出大部分仍是模拟信号。基于此，本文以加速度传感器为例，研究了传感器数字化实现过程中的相关关键技术，并对数字传感器的组网技术进行了探讨。文章设计了一种传感器数字化方案，并进行了方案的具体实现，最终实现了模拟加速度传感器的数字化处理。论文重点介绍了传感器数字化过程中的关键技术，包括模拟信号的a d 转换以及转换后加速度数字信号的处理和数字传输接口设计。( 1 ) a d 转换主要是实现了模拟信号的数字化，并为了消除信号调理对传感器信号引入的误差而进行了异源校准；( 2 ) 加速度数字信号处理是利用微处理器的数据处理功能而进行的数字滤波和温度补偿。经验证，数字滤波和温度补偿大大提高了数字传感器的精度，信号误差小于0 2 ；( 3 ) 在数字传输接口的设计中，主要进行了c a n 总线和r s 2 3 2 通信协议的设计和实现，最终实现了加速度传感器与其所连接设备的双向通信。并可根据具体需要，选择不同的数据传输方式，实现数字传感器信号高速、实时传输。可在c a n 总线上挂接多个数字传感器，组成传感器测控网络，实现数字传感器的网络化。本文所设计的数字传感器还具有数据存储功能，满足特殊场合下采集的加速度信号不能及时回传的需要，便于事后数据回收和波形再现，提高了所设计的加速度数字传感器的灵活性，扩大了其应用范围。关键词：数字传感器，异源校准，数字滤波，温度补偿，c a n 总线中北大学学位论文r e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g i e so fa c c e l e r a t i o ns e n s o rd i g i t i z a t i o na b s t r a c ta tp r e s e n t ，d i g i t i z a t i o na n dn e t w o r kt e c h n o l o g ya r ed e v e l o p i n gr a p i d l y a st h es o l l r t ? 冶e n do ft e s t i n gs y s t e m ，t h em a j o r i t yo fs e n s o ro u 印u ti ss t i l la n a l o gs i g n a l b a s e do nt h i ss i t u a t i o n ，t a k i n gt h ea c c e l e r a t i o ns e n s o ra se x a m p l e ，t h i st h e s i sm a k e sa ni n - d e p t hs t u d yo nt h ek e yt e c h n o l o g i e so fs e n s o rd i g i t i z a t i o n a n dt h e nt h ed i g i t a ls e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g yi sd i s c u s s e d i nt h i st h e s i sas e n s o rd i g i t i z a t i o ns o l u t i o ni sd e s i g n e d ，a n dt h e nt h es o l u t i o ni sr e a l i z e dc o n c r e t e l y f i n a l l y , d i g i t a lp r o c e s s i n gt oa c c e l e r a t i o na n a l o gi sr e a l i z e d t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ek e yt e c h n o l o g i e si np r o g r e s so fs e n s o rd i g i t i z a t i o n ，i n c l u d i n ga dc o n v e r s i o n ，a c c e l e r a t i o nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s sa n dt r a n s m i s s i o ni n t e r f a c ed e s i g na f t e ra dc o n v e r s i o n ( 1 ) f o ra dc o n v e r s i o n ，d i g i t i z a t i o no fs e n s o ra n a l o gs i g n a li sr e a l i z e d f u r t h e r m o r e ，t e c h n i q u eo fc a l i b r a t i o nw i ld i f f e r e n ts o u r c ei su s e dt oe l i m i n a t et h ee r r o rb r o u g h tb yt h es i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t ；( 2 ) f o rt h ea c c e l e r a t i o nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s ，d 嘻t a lf i l t e ra n dt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o na r er e a l i z e du s i n gt h ed i g i t a lp r o c e s sf u n c t i o no fm i c r o p r o c e s s o r t h r o u g hv e r i f i c a t i o n ，t h ep r e c i s i o no fd i g i t a ls e n s o ri si m p r o v e ds i g n i f i c a n t l yt h r o u g hd i g i t a lf i l t e ra n dt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ，a n ds i g n a le r r o ri sl e s st h a no 2 ；( 3 ) f o rt h ed e s i g no fd i g i t a lt r a n s m i s s i o ni n t e r f a c e s ，t h ec a nb u sa n dr s 2 3 2c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa r em a i n l yd e s i g n e da n dr e a l i z e d i n t e r c o m m u n i c a t i o nb e t w e e na c c e l e r a t i o ns e n s o ra n do t h e rd e v i c ec o n n e c t e dt ot h i sd i g i t a ls e n s o ri sr e a l i z e df i n a l l y d i f f e r e n td a t at r a n s m i s s i o nm o d ec a nb es e l e c t e da c c o r d i n gt os p e c i f i cn e e d s a n ds i g n a lt r a n s m i s s i o no fd i g i t a ls e n s o ri sr e a l i z e dw i t hh i g h - s p e e da n di nr e a l - t i m e b e s i d e s ，s e v e r a lo rm o r ed i g i t a ls a i s o r sc a nb ec o n n e c t e dt ot h ec a nb u sa n dm a k eu pas e n s o rt e s ta n dc o n t r o ln e t w o r ki no r d e rt or e a l i z et h ed i 西t a ls e n s o rn e t w o r k d i g i t a ls e n s o rd e s i g n e di nt h i st h e s i sc a l ls t o r ed a t a ,a n dt h i sc a nm e e tt h en e e do fs e n s o rs i g n a l sc o l l e c t e dc a nn o tb et r a n s m i t t e dp r o m p t l yi ns p e c i a lo c c a s i o n s ，f a c i l i t a t i n gt h ed a t ar e c o v e r ys u b s o q u e n t l ya n dw a v e f o r mr e p r o d u c t i o n s ot h ef l e x i b i l i t yo fa c c e l e r a t i o nd i g i t a ls e n s o rd e s i g n e di nt h i st h e s i si se n h a n c e da n di t sa p p l i c a t i o ns c o p ei se x t e n d e d k e yw o r d s ：d i g i t a ls e n s o r s ，h e t e r o g e n e o u sc a l i b r a t i o n , d i g i t a lf i l t e r , t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ，c a nb u su原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：赵望ze i i ! t l ：关于学位论文使用权的说明本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。签名垫煎导师签名：盟国漳日期：中北大学学位论文1 1 课题研究的目的和意义1 绪论工业生产过程的现代化面临的第一个问题是必须采用各种传感器来检测、监视和控制科学实验与生产过程的各个静动态参数，使设备与系统以及科学研究工作能正常运行，从而保证科研工作的成功与生产的高效率、高质量。所以进行信息采集的传感器技术是重要的前期基础工作，然后才有后期的信息分析、处理、加工等技术问题。当微型计算机以高速度向着高性能、低成本和单片化发展的同时，单片机也向着集成化、智能化方向发展，这两者的结合必将导致数字化、智能化传感器的诞生。数字化传感器不仅能对外界信号进行测量、转换，同时还有数据存储、数据处理等功能。绝大多数自动化系统都带有电子计算机或数字显示器，因此，对具有数字输出的数字传感器有着迫切的需求。它的应用，既可提高测量的稳定性、保证测量的精度，也可使系统的结构得到简化。数字系统可以给出高精确度的检测和计量结果。在自动检测和计量系统中，系统的测量准确度很大程度上取决于传感器本身的精确度，数字传感器本身正好具备高稳定性和高精度的性能。为简化系统和提高系统的工作可靠性，迫切需要数字传感器，于是数字传感器便应运而生乜1 。随着计算机的飞速发展以及单片机的日益普及，世界进入了数字时代，人们在处理被测信号时首先想到的是单片机或计算机，能输出便于单片机或计算机处理的数字信号的传感器就是所谓的数字传感器。模拟传感器输出的信号经过调理、a d 转换、线性化及量纲处理后转换成数字信号。该数字信号可根据要求以各种标准的接口形式( 如2 3 2 、4 2 2 、4 8 5 、c a n 等) 与中央处理机相连，这就是数字传感器的巨大优势。在工业过程控制中，由于生产的连续运转，对设备的可靠性有着较高的要求，采用了很多冗余技术来保证测量和控制的可靠。除了集散控制( d c s ) 系统的冗余外，对现场的传感器也提出了冗余的要求，d c s 系统希望能及时了解各个传感器工作状态，进而掌握工作现场的状态，并及时发现故障口一3 。这样，每个工作现场的模拟传感器的信号线必须是相互独立的，所以需要很多条信号线，而且模拟信号在传输过程中会受到很大的干扰，信号精度大大降低。而传感器数字化后，每个传感器的信号线可以同时连接到中北大学学位论文总线上，通过完善的总线通讯协议可以识别不同i d 地址的传感器，就可以监测和识别出每一个现场传感器的输出信号，进而掌握各个工作现场的状态，所以信号传输所需的电缆只需几条就可以完成，数字信号在传输过程中抗干扰能力强，通信速度快。在导弹发射过程中，为了保证导弹系统的可靠性，要求弹上电缆尽可能少，所以弹上测量多种物理量的加速度、压力、温度等数字传感器就可以将各个传感器信号通过总线的形式可靠实时地传输到地面，便于现场指挥人员的判断和决策。模拟式传感器零点温度、灵敏度温度、线性、滞后、蠕变等补偿方法和补偿工艺还不够完善，各项补偿之间交互作用，不可避免地产生残余误差，限制了准确度和稳定性的进一步提高。而数字式智能传感器在以上几个方面都拥有很大的优越性，其数字调零、标度变换、温度补偿、线性、滞后、蠕变补偿等，都是通过内部的微处理器收集、处理并存储各种数据瞄1 。由于采用“数据库 技术，使得微处理器能不断地对数据进行识别和校正，使其具有更大的智能性，发挥更大的作用。另外数字传感器具有体积小、重量轻、结构紧凑、抗干扰能力强、工作可靠、分辨率高等优点，因此，它适用于要求高稳定性、高精确度的检测系统，是高精度、高稳定性自动检测系统中不可缺少的传感器。在过程自动化技术发展中，国外主要仪表生产厂商除了相继开发现场控制级更大规模的监控系统外，普遍推进数字化的过程也是一大特征，特别是现场传感器的数字化是其中的关键。因为数字传感器技术的进步能代替现场操作者的巡检工作，扩大了系统的功能，提高了系统的灵活性、可扩性，降低了整个系统的成本。近年来，随着数字技术的不断普及，从中央控制室的监控和信息处理来说，技术发展很快，已从常规的模拟仪表发展到分散型数字化仪表及局部区域网络，其信息处理能力显著提高。但与此相比，现场仪表及装置的信号处理能力发展较迟缓，发展不协调。为了改变这一不平衡状态必须在强化数字化传感器所具有的信息处理能力、数据库保存能力及通讯能力的基础上，进一步构成现场仪表群与上位系统综合一体化的体系结构。随着测控系统自动化、智能化的发展，要求传感器及仪表的准确度更高，可靠性更强，并具有一定的数据处理能力及自检、自校验、自补偿等功能。传统的传感器已不能满足这些要求。近几年来，由微计算机、传感器和通讯等技术结合而产生的功能强大的智能传感器、数字传感器可以准确、及时地获得并处理信息，提高了收集环境信息的有效性和速度。智能化、数字化传感器己成为当今科技界研究的热门课题1 。2中北大学学位论文1 2 国内外研究现状传感技术的发展经历了三个阶段，即结构型传感器、物性型传感器和智能型传感器，现在正是智能型传感器研究的关键时期。智能型传感器把传感器与微处理器有机地结合成一个高度集成化的新型传感器。它与结构型、物性型传感器相比，能瞬时获取大量信息，对获得的信息还具有信号处理的功能，使信息的质量大大提高，其功能也扩展了口1 。数字传感器属于智能型传感器的一种，现在大多数数字传感器也以嵌入式微处理器为核心，集成了传感单元、信号处理单元和数字接口单元，使传感器由单一功能、单一检测向多功能和多点检测发展；从被动检测向主动进行信息处理方向发展；从孤立元件向系统化、网络化发展；从就地测量向远距离实时在线测控发展，它已成为传感器技术发展的主要方向之一m 1 。基于模拟传感器、微处理器和d s p 技术的快速发展，数字传感器发展很快。早几年为了实现数字传感器的功能，传感器生产厂家一般都是委托半导体生产厂家制作传感器专用芯片，由于这种专用芯片产量小、换代慢，因而总是存在不尽人意的地方，比如说价格高、功耗大、功能少等等1 。这种现象随着通用半导体事业的飞速发展f 在改变，超低功耗的、具有多种功能的混合型单片机对数字传感器的发展产生一次飞跃，为传感器数字化的实现提供了基础。现在国内外已经开发出很多性能优良的数字传感器，在实际中也得到了广泛的应用。图1 1 为惠贻华普电子研制的h p 0 3 数字输出气压传感器。图1 1 惠贻华普电子h p 0 3 数字输出气压传感器t i p 0 3 数字输出气压传感器的特点主要有：采用m e m s 技术生产；经过温度补偿和校准；中北大学学位论文高精度i 数字输出；量程3 0 0 一 - 1l o o m b a r ；精度1 o m b a r ：1 6 位a d c 转换；高度分辨率为l 米；温度测量精度1 ；体积小( 9 9 m m 矛h 6 3 6 9 r a m ) ；成本低等。图1 2 为淄博先行测控系统有限公司研制的高精度数字压力传感器，其关键特性和优点在于：一4 0 + 8 5 。c 温度范围内具有0 0 5 f s 0 精度；与r s 2 3 2 或r s 4 8 5 兼容的数字或者o 5 v d c 模拟输出，可以更加方便数据的获取，使系统设计简易；用户选择特性使其可以根据应用环境进行定制，提供独立的压力和温度输出。i n t e r s i l 推出两款新型光数字传感器( l i g h t t o d i g i t a ls e n s o r ) i s l 2 9 0 0 1和i s l 2 9 0 0 2 ，可以感应可见光( 3 8 0 n m - - - 7 7 0 n m ) ，并能将光强度转化成简便易用的1 5 位1 2 c标准数字输出信号。这些新组件集成了电流放大器、用于消除人为光闪烁的5 0 h z 6 0 h z抑制滤波器和15 位a d c 。这些集成式光数字传感器的灵敏度高( 甚至接近人眼) ，功耗低，延长了背光控制应用中的电池寿命和面板可见度。i s l 2 9 0 0 1 采用六引脚d f n 封装，i s l 2 9 0 0 2 采用八引脚d f n 封装，实物如图1 3 所示。一图1 2 高精度数字压力传感器图1 3i n t e r s i l 光数字输出传感器梅特勒一托利多的数字称重传感器内部有微处理器，可以对自身进行诊断，每个都有自己的地址，仪表能够在线监测各个传感器输出并进行智能处理，不但大大提高了称重系统的可靠性，而且可以轻松解决一些模拟传感器很难实现的如大皮重小秤量、偏载检测等要求。再加上自己独特的高精度高速a d 转换技术、全面的传感器数字补偿技术以及远程高速防爆通信能力，使得性能超越了模拟传感器的极限，达到了o i m lc 6 的精度，通过了多项国际认证，是真正的数字称重传感器。十多年来，梅特勒一托利多的数字称重传感器在全球各地广泛应用达到5 0 力只以上。美国达拉斯半导体公司已生产出d s l 6 2 0 集成式数字传感器，它是经过特殊工艺制成的，具有体积小、测量精度高、无需a d 转换、直接输出数字信号等优点。可在一5 5 。c 1 2 5 。c 将温度转换成1 位符号、8 位数据的9 位二进制数字，并以串行数据方式按低位在前、4中北大学学位论文高位在后的格式进行连续的数字输出。在l g 内将温度值转化成数字量；上下限温度设置为用户可定义式，且恒定存储；数据的读写通过3 线串行接口；工作频率最大为2 硼z ；不需外围电路，测量分辨率为o 5 n 们。另外美国t o l e d o 公司、s t s 公司、c a r d 工n a l 公司和德国h b m 公司研制的数字式智能传感器，都有自己独特的数字补偿技术和工艺。其中数字输出消除电噪声：数字电路实现自动温度补偿，解决抗射频干扰( r f l ) 和电磁干扰( e m i ) ；自适应、自校准、自诊断功能和内置过压保护板以应付闪电引起的电瞬变等方面的技术与工艺均处于领先地位。1 3 选题的科学依据和意义随着国防现代化和军事科学的发展，对导弹等飞行器的精确度、可靠性、可控制性的要求越来越严格。特别是对于导弹来讲，由于在使用时不可能中途维修，即使是在战备期间，由于导弹反应时间要求很短，稍有故障则会失去战机，因此对其可靠性要求尤其具有重要意义。因此，迫切需要高精度智能型数字传感器来检测飞行器的工作状态和参数，为系统改进提供依据，以达到缩短研发周期，节约研制经费，提高可靠性和成功率的目的。空间运动目标状态的测量在工程应用中非常普遍，而加速度、速度和距离是描述运动目标状态的重要参数n 1 “习。因此，采用高精度加速度计并通过信号处理提高其精度，研究加速度传感器信号的调理、处理与传输技术以及实现加速度到速度和距离的高精度转换具有现实的意义和广阔的应用前景。传感器主要朝着以下几个方向发展n 踯：( 1 ) 向高精度方向发展随着自动化生产程度的不断提高，对传感器技术的要求也不断提高，必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。目前能生产精度在万分之一以上的传感器的厂家为数很少，其产量也远远不能满足要求。( 2 ) 向微型化发展各种控制仪器设备的功能越来越大，要求各个部件的体积越小越好，因而传感器本身体积也是越小越好，这就要求发展新的材料及加工技术。目前利用硅材料制作的传感器体积已经很小。如传统的加速度传感器是由重力块和弹簧等制成的，体积较大、稳定5中北大学学位论文性差、寿命也短，而利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小、互换性、可靠性都较高。( 3 ) 向微功耗、无源化发展传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地方，往往是用电池供电或用太阳能供电，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向，这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。目前，低功耗的芯片发展很快，如t 1 2 7 0 2 运算放大器，静态功耗只有1 5 m a ，而工作电压只需2 ，- 5 v 。( 4 ) 向数字化、智能化发展随着现代化的发展，传感器的功能己突破传统的功能，其输出不再是一个单一的模拟信号，面是经过微电脑处理好后的数字信号，有的甚至带有控制功能，这就是所说的数字传感器。与模拟传感器相比，数字传感器具有以下优点n4 1 5 1 ：( 1 ) 可靠性高，抗干扰能力强表1 1 为模拟和数字信号处理方式的比较。表1 1 模拟和数字信号处理方式的比较信号处理方式的比较比较类别模拟信号数字信号修改设计的灵活修改硬件设计或调整硬件参数改变软件设置性精度取决于元器件精度取决于a d 位数和计算机字长、算法可靠性和可重复受环境温度、湿度、噪声、电磁场等的干扰不受这些因素影响性和影响大大规模集成尽管已有一些模拟集成电路，但品种较少、d s p 器件体积小、功能强、功耗小、集成度不高、价格较高一致性好、使用方便、性价比高实时性除开电路引入的延时外，处理是实时的由计算机的处理速度决定高频信号的处理可以处理包括微波、毫米波乃至光波信号按照奈准则的要求，受s h 、a d和处理速度的限制度、湿度、噪声、电磁场等的干扰和影响。6中北大学学位论文在工业现场，仪表与传感器之间易受强电干扰和浪涌影响，会造成数据不稳，甚至瞬时烧毁传感器。数字传感器输出为高电平数字信号，产生、处理和存储数字信号容易。输出信号是一组组高低电平信号，准确度高，稳定性好；抗外部射频干扰和电磁干扰能力强，使得传感器输出稳定的信号，保证了传感器的正常工作。数字传感器处理和输出的为数字信号，抗干扰能力强，大大提高了系统运行的稳定性。而模拟传感器采用模拟信号处理方式，信号容易受温度、噪声、电磁等影响n 副。( 2 ) 传输距离远通信速度快模拟式传感器的m v 级信号太小，易受射频干扰和电磁干扰。而且在传输中由于电缆电阻的影响会有所损失，所以信号传输距离较短。数字传感器输出数字信号，不易受到干扰，而且按照总线通信协议传输，通信速度高，传输距离远，且具有通信纠错能力，保证了数据高速、可靠地传输。( 3 ) 安装、调试、检定、维护方便模拟传感器在生产时是连电缆线一起进行温度补偿的，这样才能消除电缆线电阻的温度影响。如果模拟传感器电缆线损坏后随意连接，就会造成测量误差。所以在距离较长时，传感器都需要专门定制。在更换传感器时需重新穿线，在实际使用时很不方便。数字传感器传输的是数字信号，电缆线的长度可根据需要改变，不会影响测量精度。数字传感器更换时只需将相关参数输入新传感器，无需进行系统的重新标定。( 4 ) 系统整体成本低从系统成本的角度来看，虽然数字传感器增加了电路板，但由于数字传感器在应用中减少了调试及应用成本，能够进行免标定，更换传感器不需重新标定等，而且数字传感器的自诊断、不间断工作等功能提高了系统可靠性，降低了停机时间因此，系统总体成本比模拟传感器系低。数字传感器在航空、航天、工业生产控制等领域得到了越来越广泛的重视和应用，也越来越显示了它的优越性n 7 1 。顺应当今传感器向高精度、微型化、微功耗和无源化、智能化的发展方向和现实中国防和工业生产中的急切需求，本文特进行传感器数字化研究和设计工作，设计的数字传感器也具有上述特点，所以本论文的选题具有很强的现实意义和实用价值。本项研究课题充分体现了模拟和数字电子技术、信号处理技术及通讯技术在传感器领域的应用。7中北大学学位论文1 4 本论文主要完成的工作及系统功能本文设计的数字传感器除了能采集传感器信号外，还具有信号滤波功能，并设有数字信号传输接口，可实现远距离测量和实时监测功能。在实际工作中主要针对传感器数字化实现过程及关键技术进行了系统研究，从系统方案总体设计、系统硬件设计、系统软件的设计和实现、数字信号处理及数据存储、传输等几个方面论述了该系统的特点和功能，并重点研究和介绍了数字传感器实现过程中的模数转换、信号滤波和温度补偿、数据的存储和传输等关键技术。本文所设计的数字传感器能够完成对被测传感器信号的调理、采集、存储、滤波、温度补偿和传输等功能，把被测信号准确可靠地传输到中控机，再现被测目标的实际状态，为设计和技术人员的分析和决策提供依据。本文工作主要分为以下几方面：( 1 ) 通过了解国内外数字传感器的发展现状和工作原理，并结合实际应用背景和要求，确定了传感器数字化的系统方案和系统构成，论述了传感器数字化方案实现中的关键技术、难点问题和解决方案u 刖；( 2 ) 依据系统功能需求确定了本系统硬件具体实现方案，包括信号分压、滤波等前置调理、a d 转换、数据存储、数据传输接口等硬件模块的设计和实现；( 3 ) 进行了硬件调试和固件程序的设计，合理分配系统资源，按照模块化思想对软件进行功能模块划分并分别进行程序设计，主要包括单片机系统初始化、a d 转换、温度采集及补偿、数据滤波、存储器读写和擦除操作、串口通讯及c a n 总线通信等模块；( 4 ) 重点设计和介绍了提高传感器精度的原理和实现方法，包括硬件电路滤波、异源校准、软件滤波、温度补偿技术等方面。本文要设计和实现的数字传感器应具有以下功能：( 1 ) 可采集加速度传感器输出的模拟信号，并通过a d 转换供内部处理器处理，在a d 转换的同时采用异源校准技术对转换信号进行校准；( 2 ) 可对采集到的传感器信号进行存储、滤波和补偿处理；( 3 ) 具有串行通讯口和c a n 通讯接口，可以与中控机或其它c a n 节点进行通讯，方便中控机深入分析数据的采集及对数字传感器的控制。中北大学学位论文传感器数字化总体设计本章针对课题的要求明确了系统的具体设计任务和设计原则，由此设计了系统的技术方案，并将系统划分为不同的功能模块，对各模块进行了具体实现。2 1 系统设计任务及指标本课题的目标是设计一个加速度传感器的数字化系统，主要完成对加速度传感器输出加速度模拟信号进行信号调理和模数转换、数据处理、存储和传输。系统的设计任务及指标具体如下：( 1 ) 针对加速度传感器a d x l 2 5 0 输 n 的加速度模拟信号实现数字化处理；( 2 ) 设计数据传输协议，实现总线数据传输，至少能使用c a n 总线进行传输；( 3 ) 能够对加速度数字信号进行温度补偿和滤波处理；( 4 ) 完成采集信号的数据分析，得出相应结论；( 5 ) 温度补偿后传感器加速度信号误差小于0 2 。2 2 系统功能分析本系统完成的是一个加速度传感器数字化的实现过程，从系统功能来看，最初从模拟传感器的信号经调理后送入a d c 进行模数转换，转换后的数据信号通过c a n 和r s 2 3 2方式传送到中控机中，并进行相应处理。图2 1 为根据系统功能给出的系统功能框架示意图。圈中北大学学位论文系统主要由信号调理模块，模数转换模块，数据存储模块、数据通信模块、温度补偿模块和数字滤波模块组成。信号调理模块由信号分压和滤波电路构成，是系统的前端预处理模块，其任务是将传感器的模拟信号经过信号分压和信号滤波电路，变换成满足后续a d 采样要求的目标信号。模数转换模块主要完成模拟信号的采集，即模拟信号的数字化，这是传感器数字化实现的关键步骤。为了减小调理电路对传感器信号产生的误差，提高转换精度，设计了异源校准电路n 9 1 。在一些特殊的工业场合，有时需要将传感器的信号不断的实时采集和存储起来，并且在需要时把数据从存储器中读出并上传到中控机中进行分析和处理。数据存储模块即是实现对a d c 转换后的数据进行存储，起到数据缓冲或方便事后数据回收的作用，提高了本文数字传感器的应用灵活性。温度补偿模块是为了消除环境温度对传感器输出特性的影响，根据实时监测的工作环境温度求得校正量，将这个校j 下量补偿到采集到的传感器加速度数据中。数字滤波模块是利用单片机的数据处理功能，采用软件滤波方法滤除信号中的干扰，提高数字传感器的精度。数据传输模块设计tr s 2 3 2 和c a n 两种数据通讯方式，是系统数据输入输出的主要通道，负责计算机及其他设备和传感器系统之间数据和控制信号的传递。与计算机连接方便，便于系统的调试；并可实现数据高速、远距离传输，并可以组成数字传感器监测网络，与其他c a n 节点进行通信啪1 。2 3 系统总体方案设计传感器是把各种非电量被测参数转变为与之有确定关系的电量信号的电子元件。本文以加速度传感器a d x l 2 5 0 为例，设计了加速度数字传感器，将模拟加速度信号转换为数字信号形式。大多数情况下，从传感器中输出的电信号是不能直接送入模数转换器的，经常要经过必要的信号调理电路进行适当的调理，使信号在模数转换电压范围之内，然后经过信号滤波电路，滤掉信号中的杂波成分，才能使其在形式、幅度、信噪比、转换灵敏度和l o中北大学学位论文精度等方面达到中央处理器的要求，以提高传感器数字化后的精度。滤波器在配置上一般应靠近模数转换器a d c 。为了消除信号分压和滤波电路对传感器模拟信号的影响，设计了异源校准电路，实现原理是选用一高精度的电压基准经过与传感器信号相同的调理电路，测出调理电路对基准信号的产生的误差，即可得出调理电路对传感器信号引入的误差，然后将这个误差从采集到的传感器信号中剔除，基本上就消除了调理电路对传感器信号的引入的误差。由于加速度传感器需要工作在环境恶劣的情况下，需要将采集的加速度信号及时地存储起来，以免造成数据丢失，这时采用高性能的单片机和工业级大容量的f l a s h 存储器就是实现数据存储的合适方案。具体是通过中央微处理器输入输出端口控制f l a s h 存储器的读、写、擦除等操作实现的。数据传输模块主要是设计r s 2 3 2 和c a n 接口的外围硬件电路，在进行数据实时传输时，为解决速度不匹配问题，还需要对数据进行缓冲髓。结合系统要完成的各项任务和功能，并经过上述分析，设计了如图2 2 所示的系统总体方案。il世刊c a n 接订姆= = 爿指定设备l加速度传八分压滤波一一人开感器一 电路叫电路叫关n数选卜、dj 据刮u a r t刮骼铲l | 计鼽l通转叫缓电压基准r 、分压_ 入滤波卜电换冲信号1 电路叫电路路刮i 雠制b刮嬲耍储梗图2 2 系统方篥原理图系统工作过程就是中控机通过数据通信口向数字传感器系统发出命令和数据，控制数字传感器的工作状态。需要采集加速度信号时，中控机即发出启动模数转换命令，a i ) c转换器对模拟加速度信号进行采集，同时采集基准电压信号和工作环境的温度分别对信号进行异源校准。处理后的数据经过缓冲存储n f l a s h 存储器中或实时传输到中控机或其他c a n 节点，便于掌握被测信号情况。以上功能可根据具体需要，由中控机发出相应命令来完成。中北大学学位论文2 ，4 系统实现方案为了满足系统的功能需求，根据传感器数字化总体方案，并考虑到采集的精度、速率、接口类型等诸元素，确定了系统的硬件具体组成。系统主要由中央微处理器、分压电路、集成滤波器、串口电平转换芯片等组成，如图2 3 所示。图2 3 系统硬件模块组成框图系统硬件模块主要包括信号分压电路、滤波电路、中央控制电路、数据通讯电路及电源模块等部分，在中央微处理器的控制下，通过其自带的1 6 位a d 转换模块实现对经过分压、滤波的模拟加速度信号的采集，并将采集转换的数据经处理后存储到f l a s h存储器或实时传递给中控机。中央微处理器c 8 0 5 1 f 0 6 0 是整个系统的控制、通讯核心。由以上分析可知，该数字传感器的实现最终取决于硬件电路设计和软件处理。在硬件设计中涉及信号调理技术、数据通信技术、降噪技术等多种硬件处理技术，软件设计主要是数据处理和制定相关通信协议，保证数字传感器和中控机之间数据和命令的高速可靠的通信。1 2中北大学学位论文2 5 本章小结本章在明确了系统的设计任务和设计原则的基础上，对系统要实现的各个功能模块进行了分析，然后进行模块化设计，确定了系统总体设计方案。并对各模块进行了细化和分析，简单介绍了各模块的工作原理和实现方法，给出了各自的实现方法和设计要领。最终，确定了系统硬件组成框图。中北大学学位论文3 1 中心控制模块设计3 1 1 系统控制方案传感器数字化功能实现为了减小系统功耗和体积，设计时应该考虑三大原则：集成化、微型化和微功耗。本文控制电路由c 8 0 5 1 f 0 6 0 完成，是一种混合型高集成度芯片，它是整个系统的核心器件，一方面它对多功能传感器输出的信号进行采集、转换，然后对这些信号进行数据处理，包括滤波处理、零点和量程的设定、非线性修f 、温度补偿及处理后的存储等；另一方面中央处理器还可以实现数据传输，其本身具有r s 2 3 2 和c a n 通讯接口，通过两种方式进行数据传输。对于单片机的选择主要是由于其具有以下优点瞳刳：( 1 ) 具有硬件地址识别的增强型u a r t 串行接口，可完成异步串行通信。( 2 ) 内部集成2 个1 6 位s a r ( 逐次逼近型) a d c ，8 通道1 0 位s a ra d c ，可完成模拟信号模数转换功能。( 3 ) 内部具有5 个通用定时器，可方便用于a d c 转换频率及u a r t 波特率的设置。( 4 ) 控制器局域网( c a n 2 o b ) 具有3 2 个消息对象，每个消息对象有其自己的标识掩码。( 5 ) 具有片内看门狗定时器、v d d 监视器和温度传感器。本文中微处理器需要完成的功能和控制的模块如图3 1 所示。一f h 信瓣滤卜n d c o弋( 1 6 位l；i 0 1 一队嚣椭= i 习- l 3 l vbtu a r t卜机li 队刮l i 。6| p 3 2il 温度传感器i 一“”l图3 1 中央微处理器控制方案原理图1 4中北大学学位论文c 8 0 5 1 f 系列器件是真j 下能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可出根据需要进行配置。f l a s h 存储器还具有在系统编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8 0 5 1 固件。根据控制模块功能要求和需要的控制信号，对单片机端口资源进行了资源分配，主要包括数据传输模块所需的发送和接收端口、存储器控制端口等。结合本控制系统的要求，中央处理器有8 个输入输出端口( p 0 一p 7 ) ，每个端口有8 个引脚，它们是单片机与外界联系的重要通道。这些引脚可以用作通用的i 0 端口，同时p o p 3 口的每个管脚通过独立编程还能作为特殊功能的输入或输出，即同一个引脚可以作为片上不同外围功能模块的信号输入输出端口，这是c 8 0 5 1 f 系列单片机与其它单片机区别的一大特点。在控制电路中使用了p o 、p 2 和p 3 口的部分或全部引脚。其中，p 3 端口定义为f l a s h存储器命令控制线，p 2 端口定义为f l a s h 数据输入输出信号线，具体分配如表3 1 ：表3 1 单片机端口资源分配表端口引脚信号名称信号含义p o 口p o 0u a r 哪(串口发送p 0 1u a r t r x串口接收p o 2 p o 7未用xp 1 口未用朱用xp 2 口p 2 0 p 2 7f l a s hi o o f l a s hi o o存储器数据输入输出p 3 口p 3 0 p 3 1末用xp 3 2d s l 8 2 0s 1温度传感器数据线p 3 3r b 存储器状态标志p 3 4c 纯f存储器片选p 3 5c l e存储器命令锁存使能p 3 6a l e存储器命令锁存使能p 3 7未用x3 1 2 控制模块的实现根据系统功能需要和控制方案设计了如图3 2 所示的控制模块电路。1 5中北大学学位论文图3 2 中心控制模块原理图具体实现电路原理图如图3 3 所示。6 p 工n p r e l工日4 1 8图3 3 q h 心控制模块电路原理图1 6中北大学学位论文系统上电后，必须先对微处理器进行必要的初始化，才能正常工作，主要包括系统时钟初始化、数字交叉开关( 即端口模式) 初始化。中心微处理单片机端口配置是通过数字交叉开关和g p i o 端口实现的，交叉开关的译码用于为器件内部的硬件外设分配i o端口。其配置方法主要是给几个端口功能选择寄存器x b r o 、x b r l 、x b r 2 赋以适当的初值，具体配置情况请参阅c 8 0 5 l f 0 6 0 l 2 3 4 5 6 7 混合信号i s pf l a s h 微控制器数据手册。通过数字交叉开关将u a r t o 和u a r t l 以及系统时钟映射到了通用i o 端口，端口引脚的分配顺序是从p o 0 开始，一直分配到p 3 7 ，其中u a r t o 具有最高优先权，因此而占用了p o 端口p o 0 和p o 1 。端口p o p 3 所有引脚都耐3 v - - - 5 v 电压，可以被配置为漏极开路、推拉输出方式或弱上拉方式。通过配置端口输出方式寄存器p o m d o u t ，p 1 m d o u t ，p 2 m d o u t 和p 3 m d o u t 的值来实现。中央微处理器包含一个可编成内部振荡器和一个外部振荡器驱动电路，鉴于时钟频率精度及稳定性的考虑，在该设计中采用了外部晶体振荡驱动电路。由于器件本身特性，在采样外部晶体振荡的方式时，外部晶体起振需要一个建立时间，需要在等待约l m s 后才可以将外部振荡器切换到系统时钟，若在其稳定之前就将系统时钟切换到外部振荡器可能导致不可预见的后果。3 2 信号前置调理电路设计及实现模拟传感器是测控系统的第一个环节，起着获取检测信息与转换信息的重要作用，其性能直接影响到整个系统的性能。传感器是一种测量装置，它能感受或响应规定的被测量，并按照一定的规律转换成输出信号，以满足信息的转换、处理、存储、记录、显示和控制等要求。由第二章介绍可知，加速度模拟信号经过分压、跟随及滤波等处理后，才能进从d c 转换器进行模数转换，设计的调理电路框图如图3 4 所示。v 7 v vu 4 ) z z v加速度模拟入电阻分压八电压跟随。模拟滤波信号叫v 图3 4 信号调理电路1 7中北大学学位论文3 2 1 信号分压电路设计本文以采集加速度传感器。m ) x l 2 5 0 输出的加速度信号为例，对加速度信号进行数字化处理。a d x l 2 5 0 是a d 公司推出的低噪声、低功耗的二维加速度计。它是利用a d 公司创始的微电子机械系统m e m s 技术制造的。由于其具有低噪声、低功耗、体积小巧、重量小、灵敏度高、耐冲击等特点瞄，可以满足各种设计要求，所以在实践中得到广泛应用。a d x l 2 5 0 ) j i 速度计输出电压为：= 一( 姗撕口)1 ，其中珞为供电电压，单位为伏特；s e n s i t i v i t y 为输出的加速度灵敏度，单位为m v g ( 默认为m v g ，可通过外接运算放大器调节) ；a 为输入的加速度，单位为g 。在设计中，加速度传感器a d x l 2 5 0 选用的灵敏度为3 8 m v g ，加速度量程范围为+ 5 0 9 ，由式( 3 1 ) 计算得，输出电压范围：v o c ，7 = 2 5 v 一3 8 m v g 5 0 9 2 5 v 一3 8 m v g x ( - 5 0 9 )= 0 9 4 4 v即图3 3 中电阻分压模块的输入为0 9 - - - 4 4 v 的电压信号。因为a d c 所能采集的电压范围为0 - - - - 2 4 v ，所以必须对加速度信号进行分压，才能j 下确地被a d c 进行模数转换。分压电路采用简单的电阻分压，并用运算放大器进行跟随。分压处理后，输出的加速度信号范围为：0 4 5 - - - - 2 2 v ，满足本文中a d c 的采集范围。在分压电阻的选择上，设计中选择了1 m 欧姆的大电阻进行分压，这样做的好处是能提高系统的输入阻抗，减小由于输入阻抗过低对加速度信号的影响。3 2 2 信号滤波电路设计滤波电路的设计是对传感器信号分压后进行的模拟滤波处理。模拟滤波是本文中提高数字传感器系统精度的重要措旌。采用分体元件设