智能传感器的研究与设计

康亚杰

(延安大学 西安创新学院，西安 710010 )



智能传感器的研究与设计

康亚杰

(延安大学 西安创新学院，西安 710010 )

随着科技的不断进步，传感器在自动化领域中的应用也越来越广泛。但是随着科技的发展，普通的传感器已经不能满足工程技术发展的要求，传感器越来越趋向于智能化。本文研究了一种智能传感器，其应用更加广泛，而且更加智能化、精度更加精确。智能传感器采用的是软硬件结合，连接到网络后，通过智能控制理论对数据进行采样处理，进而形成了有处理功能的、带有温度控制、逻辑等功能的智能化温度传感器，本文只针对智能传感器的理论及硬件部分进行论述。

智能温度传感器；FPGA；非线性校正；在线标校；RS-422 串行通讯接口

智能传感器的设计涉及多门学科，是当前应用比较广泛的一门技术。它涉及了自动化控制、化工等多个领域，目前主要应用在军事、航天、工厂、仪器等方面。研究智能传感器具有很强的应用价值，本设计研究的智能温度传感器能够在一段长时间工作后不需拆卸就能校对精度，也不需要主控机再对其控制，提高了系统的稳定性与可靠性。

1 智能温度传感器的实现方法

智能传感器能够克服原始传感器自身存在的不足，从而获得更高的稳定性、便捷性、高分辨率、适应性等高性能。智能温度传感器是在原有的传感器硬件基础之上加上了微处理器加以控制，微处理器是实现智能控制的关键。实现智能化控制的方法有：非线性校正、在线校对、查表法、曲线拟合等方法，介于篇幅限制，本文主要围绕非线性校正、查表法以及曲线拟合法进行主要阐述[1]。

(1)非线性自校正

非线性校正指的是输入、输出的校对曲线与拟定直线之间的拟合程度，在传感器中加入处理器与处理软件之后可以改善原来输入、输出的非线性引起的误差，提高工程测量中的精确度[2]。

为了确保信号输出和输入的是线性曲线，一般元器件使用陶瓷材料，基于此，在智能温度传感器系统中，将信号输入、输出的线性曲线(如图1-1所示)自动转换成反线性曲线(如图1-2所示)，使信号在实际输出与输入中呈现直线关系(如图1-3所示)。

图1-1 输入—输出特性

图1-2 反非线性特性u—x

图1-3 智能温度传感器输入—输出

(2)查表法

智能温度传感器信号输入、输出线性关系可用线性插值法表示，其中较为简便的方法是查表法，选取若干点画折线，逼近非线性曲线，选取的点越多，逼近非线性曲线折线数量越多，最终得到的信号输出值就越真实，相应的程序代码编写过程越复杂[3]。例如，选取四条逼近非线性曲线的折线，设折线断点坐标分别是(x1，y1)(x2，y2)(x3，y3)(x4，y4)(x5，y5)，则xi对应的yi值(信号输出值)的表达式为：

(1)

式中，k 代表折点的序号，k =1、 2、3、4、5。因为数据少，线性插值法主要凸显的是直线两端点的信息，不具有普遍性，误差较大，为了减少误差，可以采用二次插值法，该方法是选取三个点(xk-1，yk-1)、(xk，yk)、(xk+1，yk+1)，做出过该三点的抛物线，接着在传感器的特性曲线中，将曲线分为n个区间，查看信号检测值所在区间(xk，xk+2)，查表x自变量序列中位置为xk≤x≤xk+1≤xk+2，其所对应的y值得公式为：

(2)

因为x的取值在(xk，xk+2)范围内，根据趋势，可以将信号拟合成抛物线形式，保证信号输出点只与其前后两个值有关，缩小误差，其结果比线性直线算出来的结果更加真实，且储存空间也小。

(3)曲线拟合法

在已经投入使用的传感器中一般使用最小二乘法对非线性曲线进行拟合，最小二乘法是现在曲线拟合法中最常用到的方式计算方法。下面将详细介绍其具体操作步骤。

第一步，结合温度传感器开始实验，对温度传感器和电路系统进行标定，获得标准曲线，用数字符号解释为：加入通过静态实验获得N组标准点的数据，测得输入值为x1、x2、x3…xN，获得的输出值为u1、u2、u3、uN。

第二步，假设反非线性特性曲线的拟合方程为

(3)

方程中n的值与方程的精确度有关，当n的取值为3时，根据式(3)可以得到

(4)

式中的系数a0、a1、a2、a3为常数，与实验环境有关。

第三步，采用最小二乘法确定方程中系数a0、a1、a2、a3的值，并根据式(4)计算出xi(ui)的值，将误差降低到最小，具体方程如下：

(5)

2 智能温度传感器硬件设计

(1)系统结构设计

在图2-1中，整个系统以FPGA控制器为核心，连接并控制外围电路，全面采集点录制电阻温度变化数据并储存。本系统主要测五路铂电阻传感器上温度情况，如需要测更多或者更少传感器电路温度数据，可以在此基础上进行修改，总体原理不变。

(2)XTR105温度—电流变送器

XTR105是温度检测系统中的温度—电流变送器。XTR105温度—电流变送器内部主要构件是电压/电流变换器、高精度仪表放大器和0.8mA的精密恒流源，这些零件以三线制的方式进行连接，保持这三端电压平衡，测量电阻值变化才不会影响最终结果，此时能够保持仪器电阻值只与RTD电阻值有关，忽略电线中的电阻值，提高测量的精确度。XTR105温度—电流变送器的工作原理是仪器开始运作以后，电阻上的温度增加，电阻值变化，XTR105温度—电流变送器可以将铂电阻温度传感器中电阻值变化变化情况转化成电流信号，因为三线连接的方式，保持电压平衡，也间接对铂电阻温度传感器温度测量进行线性补偿，减小误差，提高精确度[4]。

图2-1 系统结构框架图

在图2-2中是XTR105温度—电流变送器外围电路连接方式，仪器中的输出电流经过串联电阻RL，测其电压值，储存数据，另外外围电路的电流大小可以通过测RL的电压值换算得到；RTD两端连有两个0.8mA电流源，以供其正常运行，并且RTD并联一个置零电阻RZ，置零电阻RZ是RTD温度最低范围时的下限电阻，当RTD温度最低时，电阻大小为置零电阻RZ的值，XTR105温度——电流变送器中配置的仪器放大器可以放大RTD和置零电阻RZ在通电情况下的电位差，RCM为整个系统提供一个额外电阻，并且为了降低仪器产生的噪音，在RCM电阻两端并联一个0.01uF的电容。

图2-2 XTR105 温度—电流变送器的电路图

在此电路图中，除了RL电阻、RZ置零电阻、RTD电阻和RCM电阻外，系统中还有电阻RG和电阻RLIN，因为电阻 RG的大小与系统温度范围有关，系统选取不同温度段的温度，所以电阻RG的表达式为：

(6)

电阻RLIN1和电阻RLIN2的表达式如下：

(7)

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(8)

在式(6)、式(7)和式(8)三个式子中，R1=RTD[(TMIN+TMAX)/2]，R2=RTD(TMAX)，RLIN=1KΩ。本系统中，温度范围是-30℃—400℃。

(3)信号调理部分——电源转换

电源转换顾名思义就是在系统中起到转换电源的作用，将外部提供较大电压转换到系统所需电压值，本文笔者所选的系统中使用的电源转换器有三个，分别是CW78L05、LM136—2.5和TPS70358，以下将详细介绍这三个电源转换器。

CW78L05电源转换器属于三端稳压电源转换器，该转换器两端所需电压在7V—20V之间，一般可以替换其他系统中的电极管/电阻器组合，使用CW78L05电源转换器后，系统中的电压维持在5V，并为系统提供两个数量级的抗组和低静态电流，改善系统中电阻大小，降低系统产生的噪音，合理设计电流转换器和电阻安装位置，对降低噪音有较大的帮助。除此之外，CW78L05电源转换器内部电流限制较大，并具有热关断特性，配合其他的转换器可以较好地稳定系统中的电压，保护电路及相关零件。CW78L05的电路设计图如图2-3所示。

图2-3 CW78L05电源转换器电路图

LM136-2.5电源转换器本质上是一个二极管，能保证整个电路中电压稳定在2.5V，该转换器精度高，温度偏低，电阻值范围小。此外，外电路系统中的输入电压经过CW78L05电源转换器转化成5V以后，在经过LM136-2.5电源转换器转变成2.5V。LM136-2.5电源转换器的额定电流是10mA，表征其稳定性的值为0.02%，温度每变化10℃，其变化率为0.1%，下图2-4是LM136-2.5电源转换器电路连接图。

图2-4 LM136-2.5电源转换器电路连接图

电路系统中有FPGA数字电路和单片机控制电路，这两种电路所需要的的电压分别是3.3V和1.8V，在外部电流输入该系统时，电压较高，经过CW78L05电源转换器转换成5V的电压，此电压不满足FPGA数字电路和单片机控制电路所需，即可以使用TPS70358芯片将5V电压转换成FPGA和单片机需要的电压。并且TPS70358芯片产生的噪音低，能抑制源纹波，可用于电路板和重要器件电压转换，例如FPGA、单片机和DSP等中心控制元件。

由此可以看出，智能传感器中TPS70358芯片输入电压由CW78L05电源转换器提供，电流通过TPS70358芯片转换后提供给FPGA和单片机控制逻辑器件，TPS70358芯片的电路分布图如图2-5，图中的Vin端是经过CW78L05电源转换器转换后的5V电压输入端，Vout端是5V电压经过TPS70358芯片转换后的3.3V电压输入端，VCCINT端是5V电压经过TPS70358芯片转换后的，1.8V电压输入端，各电源连有去耦电容并连接到地面。

图2-5 电源管理芯片TPS70358的电路图

(4)信号调理部分——放大电路

放大电路的作用是将原本较小的稳定电压按一定的比例转换成电路或者仪器运行所需的电压。一般经过外电路电压电阻—电流转换输出的电压范围时0.6V—3V，但是电路和仪器运行所需的电压是5V，因此需要将电流流过放大电路，转换成5V的电压，本文为了使测定结果精确且稳定，选用AD623仪表放大器，外接合适电阻，可以将放大效果提高到1000倍，带宽可达800kHz，直流特性明显，在3V—12V的单电源作用下，能够满量程输出，并且线性度较好，温度变化稳定，测得数据可靠。

笔者设计的电路中，AD623 芯片的作用不仅是一个电压放大器，还能充当滤波器，使得波形稳定，在图2-6中显示的是差分电路图，表明放大电路的作用原理。在电路图中，+IN是传感器传送的信号，-IN是外部系统调节信号，两者相互协调可以将系统内部电压转换成0—5V电压，而且系统中R28=19.1K，R29=6.04K。电路图中REC是由LM136稳压器提供2.5V的电压，+VS是由单电源提供5V电压，-VS端和电源负极端连接地面，信号从Pin-6端输出，并保存，信号输出使得转换公式为：

图2-6 AD623芯片电路分布图

(9)

式(9)中RG为增益选择电阻，且RG=MKΩ/(G-1)，G表征电压放大倍数，M表示增益量。

(5)A/D模块的设计——ADG506A 模拟选择开关电路设计

ADG506A模拟选择开关电路设计有16个开关，但是仅从中选取一个开关口控制电路，并且有单双电源为其供电，还包括4个通道的选择地址译码器端和一个使能端EN，整个ADG506A电路能耗小，漏电少。对于使能端EN，整个电路允许模拟量通过时，EN选用高电平，当电路不允许模拟量经过时，EN选择低电平。从图2-7中可以看出，通道1到16的开关是由4个通道的选择地址译码器端A和EN端决定，电源电压为5V，从VDD端输入，从VSS端输出，并接地。

图2-7 ADG506的电路图

(6)A/D 模块的设计——ADS8322模数转换电路设计

整个智能传感器中的精度与分辨率与A/D芯片有关，需要慎重选取，其选取主要考虑精度、分辨率、速度、电源、接口等是否与系统相匹配，本文笔者选用的是ADS8322模数转换电路，其精度达到16位数字，采样的速率最高可达500KHz，电量消耗偏低，内部系统所需电压为2.5V。在实际操作中，其输出数字可以为16位，输出方式有两种，第一种是将BYTE调整到低电平，从DB0—DB15上同时输出一位数字；第二种是先将BYTE调整到低电平，在从DB0—DB7上读取8个较低的数字，再将BYTE调整到高电平，从DB0—DB7上读取8个较高的数字，两次数据结合起来，一起保存。ADS8322的转换速率是由外部的始终控制，并且呈正相关关系，其电路分布图如图2-8所示。

图2-8 ADS8322电路分布图

笔者在智能温度传感器硬件设计部分主要介绍了系统结构设计、XTR105温度—电流变送器、信号调理电路和A/D模块的设计四大部分，对K9K8G08U0M存储电路、STM32F405控制电路和RS422串行接口部分未进行介绍，并且现在此三部分研究已经很成熟，可以在各个网站查阅到完整的资料。

3 结语

本文主要围绕智能传感器设计进行研究，首先研究非线性校正、查表法、曲线拟合三种能实现智能化控制方法，其次对智能温度传感器硬件设计进行详细研究，介于篇幅限制，笔者主要叙述了智能温度传感器硬件设计，软件设计未进行叙述，但是现在社会软件设计研究较硬件设计研究成熟。本研究可能有不足之处，笔者会在未来进行深入研究。

[1] 王岩.基于神经网络优化理论的软测量技术及应用研究[D].秦皇岛：燕山大学，2005.

[2] 陈渭泉.软测量技术中的变量选择方法研究[D].杭州：浙江大学，2004.

[3] 赵升.高精密温度湿度测试系统研究[D].合肥：合肥工业大学，2009.

[4] 薛风国.温度校准系统及校准方法研究[D].南京：南京信息工程大学，2012.

责任编辑：程艳艳

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

陕西省教育厅项目(15JK0020)

康亚杰(1991-)，女,陕西西安人，博士研究生，主要从事电子信息工程方面研究。

TP212

A

1009-3907(2016)10-0033-06