一种基于三模冗余的智能复合传感器设计

雷志东+张晓林

摘 要： 提出了一种基于三模冗余的智能复合传感器的设计方法，能对环境温度、相对湿度与绝对压力进行测量。为了提高测量的精度，延长产品的寿命，传感器采集的环境参量均从3个敏感元件获得，并通过智能处理器对其进行智能判读，剔除误差较大或错误的数据，实现三模冗余，使得即使有一个敏感元件失效，所设计的传感器依然能正常工作并且能上报故障状态，极大地提高了传感器的可靠性与使用寿命。经过试验，设计的传感器在-40～85 ℃的环境中，温度采集精度优于0.5 ℃，相对湿度采集精度优于3%，绝对压力采集精度优于0.1 kPa。该型复合传感器现已完成样机试制，具有重要工程应用价值。

关键词： 传感器； 环境参数； 三模冗余； 智能判读

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）03?0080?04

Design of an intelligent composite sensor based on triple modular redundancy

LEI Zhi?dong1，2， ZHANG Xiao?lin1

（1. School of Electronic and Information Engineering， Beihang University， Beijing 100191， China；

2. Tianjin Bureau of Naval Equipment Ministry， Tianjin 300061， China）

Abstract： A design method of intelligent composite sensor based on triple modular redundancy is proposed， which can measure environmental temperature， relative humidity and absolute pressure. In order to improve the measuring accuracy and extend the product life， the environment parameters are all obtained from three sensitive elements. An intelligent interpretation method is also presented to eliminate error or incorrect data， to realize triple module redundancy， so that even one sensitive component is broken， the sensor can still work normally and the fault state can be reported. Consequently， the reliability and service life of the sensor is greatly improved. Through testing， the designed sensor can work in temperature environment of -40～85 ℃， and the temperature acquisition accuracy is better than 0.5 ℃， the relative humidity accuracy is better than 3%， and the absolute pressure accuracy is better than 0.1 kPa. The compound sensor has been manufactured， which has important application value in the engineering field.

Keywords： sensor； environmental parameters； triple model redundancy； intelligent interpretation

0 引 言

现代武器系统装备对环境参数的监测提出了更高的要求，其监测通常使用传感器完成，传统的传感器通常只对单一参数进行测量，文献[1?5]提出了提高压力传感器测量精度的方法，文献[6]提出了一种温湿度传感器的设计方法。随着集成电路的发展，目前传感器正向着数字化，高集成化和智能化发展，一个传感器能同时对多种环境参数进行测量，文献[7?8]提出了一种智能复合传感器设计方法，能同时对流量、压力和温度进行测量。文献[9]提出智能传感器应当具有自确认功能，能在传感器发生故障时不向外输出错误数据。

本文设计了一种基于三模冗余的智能复合传感器，它能对环境的温度、湿度和压力进行测量，并且每种环境参数均从三个敏感元件获得，通过内部处理器的智能判读，减小采集误差，即使单个敏感元件出现故障，复合传感器依然能正常工作且能将故障状态上报，从而提高了传感器的可靠性与使用寿命，按照本文方法设计的复合传感器现已完成样机试制，并已具备工程应用条件。

1 整体硬件设计

1.1 方案设计

复合传感器主要由压力传感器、温湿度传感器、主控制器和供电模块等部分组成。其硬件原理框图如图1所示。

图1中压力传感器组和温湿度传感器组在主控制器的控制下，对环境的温度、湿度和压力信号进行采集，然后通过数字接口将采集后的信号输出到主控制器。主控制器将数字化的压力、温度和湿度进行接收传入到客户端。

图1 复合传感器硬件原理框图

供电模块用于产生复合传感器所需要的3.3 V和1.8 V的电压，供电模块为宽压输入模块，可承受20～30 V的输入电压而保持输出电压稳定。

主控制器用于对所有的数字器件进行控制，包括控制压力传感器组和温湿度传感器组进行采集，以及与客户端进行通信。

通过客户端的操作界面，用户可以接收复合传感器传输来的环境参数，进行显示与存储。

1.2 主要器件选型

本产品中最主要的器件为压力敏感元件、温湿度敏感元件以及主控制器。考虑到体积与功耗，本产品选用数字化的温度、湿度与压力敏感器件，而且为了延长产品寿命，提高采集的环境参数的准确度，该产品内集成3个温湿度传感器和3个压力传感器，能够同时对环境的温度、压力和湿度进行采集。

为便于进行数字处理，本产品中的控制器选用可编程逻辑器件CPLD实现，CPLD一方面完成对外围数字器件的控制，另一方面完成对多个传感器采集的结果进行优选和处理的功能。

压力传感器采用美国MEAS公司的MS5803?02BA贴片型数字压力传感器。MS5803?02BA是一款具有SPI和I2C总线接口的高分辨率高度精度低功耗传感器，其压力测量范围是1～200 kPa，工作温度范围为-40～85 ℃，内部PROM中存有校准系数，能够对测到的温度和压力进行补偿。

温度湿度传感器采用SENSIRION公司的贴片型数字温湿度传感器SHT15。SHT15包括一个电容性聚合体测湿敏感元件和一个用能隙材料制成的测温元件，具有体积小、响应迅速、抗干扰能力强的特点。SHT15具有I2C总线接口，其温度测量范围是-40～123.8 ℃，相对湿度测量范围为0～100% RH。

考虑到内部逻辑资源数量以及器件工作环境要求，本产品中的CPLD选用Altera公司EPM2210F256I5N，该款CPLD能在-40～125 ℃温度范围内稳定工作，具有2 210个可编程逻辑单元用于数字处理。

1.3 结构设计

本文设计的传感器整体结构如图2所示，传感器包括主控腔体和传感器腔体两个组成部分。传感器腔体中安装敏感元件，与外界环境接触，采集环境的温度、相对湿度与绝对压力。主控腔体中安装主处理器，用于对敏感元件进行控制，对采集的数据进行优选与补偿，并完成跟外部接口的控制。

图2 传感器整体结构设计

考虑到气密性与防水性要求，传感器腔体与主控腔体相互隔离，敏感元件与主处理器通过软线电缆连接，并使用固封胶将连接通道密封。

2 数字逻辑设计

2.1 数字逻辑整体设计

在本产品中，主控制器选用可编程逻辑器件CPLD来实现。通过硬件描述语言对CPLD需要完成的逻辑功能进行描述，CPLD便能实现相应的数字逻辑功能。

CPLD内部逻辑功能框图如图3所示。

图3 CPLD内部逻辑框图

图3中压力传感器控制模块与温湿度传感器控制模块分别用于跟压力传感器组和温湿度传感器组进行接口，以I2C接口的形式顺序地对传感器进行控制，并将采集的数据以并行的方式传递给后级模块。

核心控制模块用于跟协议解析与生成模块进行接口，将串口接收的控制指令解析生成传感器控制信号传给压力和温湿度传感器控制模块，同时，核心控制模块接收压力和温湿度传感器组传回的采集数据，并发送给后级模块。

时钟模块用于产生其他模块需要的时钟，时钟共3个频率，内部数据处理的主时钟5 MHz，I2C接口（包括压力传感器，温湿度传感器和存储器接口）的80 kHz和串口模块的9 600 Hz。

串口发送与接收模块用于和用户端进行接口，接收客户端发出的控制指令与将采集的环境参数发送回电脑客户端，串口的通信格式为9 600，N，8，1。

2.2 核心控制模块的设计

核心控制模块是整个数字逻辑的调度模块，用于控制整个采集流程，核心控制模块与其他模块的逻辑关系如图4所示。

图4 核心控制模块与其他模块逻辑关系

核心控制模块中有一个秒定时器，每秒给压力采集模块和温湿度采集模块发送采集指令，给协议解析与生成模块发送发送指令。在这些指令的控制下，压力采集模块每秒会完成1次采集，将采集的数据输出后会向核心控制模块报告采集已经完成的状态。温湿度采集模块1次采集的时间为2～4 s左右，因此，温湿度采集模块不会每次响应控制模块的采集指令，只有在上一次采集完成后才会响应新的采集指令，同样地，温湿度采集模块在每次采集完成后也会向控制模块报告状态。协议解析与生成模块收到控制模块发出的指令后会生成数据帧并通过串口向外发出。

压力采集模块与温湿度采集模块的状态输出用于核心控制模块对传感器的工作状态进行判断，并控制协议解析与生成模块在数据帧中生成相应的状态字。

2.3 三模冗余与智能判读设计

在核心控制模块的调度下，每一秒协议解析与生成模块都需要根据前端压力传感器控制模块以及温湿度传感器控制模块采集到的数据生成向外发送的数据帧。同时，该模块需要对前端输入的三组压力数据，三组温度数据以及三组湿度数据进行优选。优选的原则为去除三组数据中偏离平均值较大的数值，然后对剩下的两个数据求平均，并将其作为优选值输出。

以其中一种环境参数的三组数据为例，其优选的逻辑电路图如图5所示。

图5 数据优选逻辑电路图

图5中三组输入量分别记为[A，B]和[C]经过求和后分别与3倍的[A，B]和[C]做减法，等效得到平均值与每个输入值的差值，然后经过比较器（图中的两个MAX）得到偏离平均值最大的输入量，依此作为选择器的输入，如果输入量[A]偏离最大，则输出[（B+C）2，]依次类推。

3 试验结果

按照本文方案，设计生产了样品，并进行了压力、温度和湿度的精度试验，压力的测试范围是80～150 kPa，温度的测试范围是-40～85 ℃，相对湿度的测试范围是20%～90%，试验结果见表1，表2。

表1 压力精度试验测试数据 kPa

[测试压力＼&优选压力＼&压力1＼&压力2＼&压力3＼&参考压力＼&80＼&80.000＼&79.936＼&80.000＼&80.000＼&79.92＼&90＼&90.048＼&90.048＼&90.048＼&90.112＼&89.99＼&100＼&100.928＼&100.928＼&100.928＼&100.928＼&100.85＼&110＼&110.336＼&110.272＼&110.336＼&110.336＼&110.24＼&120＼&120.320＼&120.256＼&120.320＼&120.320＼&120.24＼&130＼&129.536＼&129.472＼&129.536＼&129.536＼&129.49＼&140＼&140.288＼&140.288＼&140.352＼&140.288＼&140.30＼&150＼&150.912＼&150.848＼&150.912＼&150.912＼&150.90＼&]

表1和表2中列出了从敏感元件中采集的原始环境参数以及经过优选后的环境参数。从试验数据可以看出，本产品的环境压力采集精度优于0.1 kPa，环境温度采集精度优于0.5 ℃，环境相对湿度采集精度优于3%。此外，从表中还可以看出，优选后的环境参数达到了预期目标，实现了对3个环境参数进行智能判断的功能，能在单个敏感元件出现故障或误差较大时，保证优选后的环境参数依然准确，从而延长了产品的寿命，提高了产品的采集精度。

4 结 论

本文设计了一种基于三模冗余的温度湿度压力智能复合传感器，该传感器采集的每一种环境参数均从三个敏感器件获得，并通过传感器中的处理器对数据进行智能判读，去除误差较大或者错误的数值，提高了采集精度，而且即使有一个敏感元件出现故障，复合传感器依然能输出正确的环境参数，达到三模冗余的效果，从而延长了传感器的寿命，降低了成本。

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