專利名稱:傳感器模擬系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種傳感器的模擬系統(tǒng),特別是一種以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)為核心,具有動(dòng)態(tài)線性和非線性特性、并可產(chǎn)生各種噪聲的傳感器模擬系統(tǒng)。
在測(cè)量動(dòng)態(tài)非電量中,當(dāng)傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度不夠快無(wú)法滿足測(cè)量要求時(shí),比較實(shí)用和有效的方法是采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法來(lái)改善傳感器的動(dòng)態(tài)性能,即在傳感器之后接一個(gè)由模擬電路組成的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器或以單片機(jī)為處理核心用軟件實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器,動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行校正,使其盡快進(jìn)入穩(wěn)態(tài),縮短其動(dòng)態(tài)響應(yīng)的調(diào)整時(shí)間。北京航天航空大學(xué)的黃俊欽(國(guó)防工業(yè)出版社,1997年,《測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)》)和合肥工業(yè)大學(xué)徐科軍(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,1999年,《傳感器動(dòng)態(tài)特性的實(shí)用研究方法》)分別對(duì)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了較為深入、全面的研究。為了調(diào)整動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器的參數(shù),考核其效果,必須將其接在傳感器之后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。但是,進(jìn)行傳感器動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)并不是一件容易的事。因?yàn)橐a(chǎn)生不同形式的動(dòng)態(tài)非電量送給傳感器,例如正弦信號(hào)、脈沖信號(hào)或階躍信號(hào),這需要專門的、比較昂貴的設(shè)備。若傳感器是多維力傳感器時(shí),則要標(biāo)定多個(gè)方向的力和力矩,實(shí)驗(yàn)起來(lái)就更為麻煩。這就對(duì)調(diào)試和考核動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器造成了困難。為此,北京航天航空大學(xué)的黃俊欽等(計(jì)量學(xué)報(bào),1995,16(1)58~67,“力傳感器的動(dòng)態(tài)重復(fù)性、線性度與性能改進(jìn)的研究”)和合肥工業(yè)大學(xué)徐科軍等(自動(dòng)化儀表,1997,18(12)5~8,“腕力傳感器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)膬煞N實(shí)現(xiàn)方法”)依據(jù)傳感器的實(shí)際參數(shù),采用運(yùn)算放大器和電阻、電容的組合,研制出傳感器的模擬器。只需對(duì)模擬器施加電信號(hào),就可產(chǎn)生階躍響應(yīng),這為調(diào)整和考核動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器提供了方便。
但是,用模擬電路研制的傳感器模擬器存在如下問(wèn)題(1)實(shí)際傳感器的輸出信號(hào)中可能含有噪聲,用模擬電路實(shí)現(xiàn)的傳感器模擬器不易產(chǎn)生噪聲。
(2)實(shí)際的傳感器可能是動(dòng)態(tài)非線性的,并且,非線性的形式可能是多種多樣的,模擬電路實(shí)現(xiàn)起來(lái)不方便。
(3)對(duì)于多維傳感器,其各個(gè)通道之間耦合程度不一致,用模擬電路模擬不太方便。
(4)若要模擬多個(gè)傳感器,其中每個(gè)傳感器模擬器輸出信號(hào)的頻率、相位和幅值可以調(diào)整、并彼此滿足一定的關(guān)系,用模擬電路實(shí)現(xiàn)比較困難。即便是使用信號(hào)發(fā)生器,例如HP3325B綜合/函數(shù)發(fā)生器也不能產(chǎn)生兩路有固定相位差的信號(hào),更做不到相位差任意可調(diào)。
本發(fā)明的目的是提供以DSP為核心、具有動(dòng)態(tài)線性和動(dòng)態(tài)非線性,并可產(chǎn)生各種噪聲的傳感器模擬系統(tǒng)。本發(fā)明可以產(chǎn)生多路各種形式的動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)(例如,階躍響應(yīng)、脈沖響應(yīng)等),和多通道之間的耦合信號(hào),以便調(diào)試和考核傳感器的動(dòng)態(tài)線性校正系統(tǒng);產(chǎn)生多路不同形式的動(dòng)態(tài)非線性響應(yīng)信號(hào),以便調(diào)試和考核傳感器的動(dòng)態(tài)非線性校正系統(tǒng);產(chǎn)生各種噪聲信號(hào),以便考核動(dòng)態(tài)校正系統(tǒng)的抗干擾性能;產(chǎn)生兩路頻率和相位差均可調(diào)的信號(hào),模擬科里奧利質(zhì)量流量計(jì)中的兩個(gè)傳感器的信號(hào),以便調(diào)試和考核科氏流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)等。
本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的,采用了如下的技術(shù)方案。該系統(tǒng)由DSP(例如,AD公司的DSP芯片ADSP2181)、模擬輸出通道、邏輯控制電路、EPROM、串行接口電路以及相應(yīng)的軟件組成。模擬輸出通道由1個(gè)或多個(gè)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(D/A)、1個(gè)或多個(gè)濾波器和一個(gè)或多個(gè)跟隨放大器(例如,各為8個(gè))組成。邏輯控制電路主要由譯碼器組成。本發(fā)明以ADSP2181 EZ-KIT LITE(AD公司為ADSP2181設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng),其中包括ADSP2181芯片、EPROM、串行接口電路等)為核心,采用查表和插值相結(jié)合的方法以及解差分方程的方法,產(chǎn)生傳感器的動(dòng)態(tài)線性和非線性響應(yīng);通過(guò)算法,產(chǎn)生噪聲信號(hào),為傳感器動(dòng)態(tài)校正系統(tǒng)和流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)等的調(diào)試和考核,提供條件。
ADSP2181通過(guò)軟件產(chǎn)生各種形式的動(dòng)態(tài)線性和非線性響應(yīng)信號(hào),以及噪聲信號(hào),在邏輯電路的控制下,ADSP2181與8個(gè)D/A中的一個(gè)或多個(gè)相連,將信號(hào)送給D/A,再經(jīng)過(guò)濾波和跟隨,最后輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于可以通過(guò)選擇不同的算法,產(chǎn)生不同形式的動(dòng)態(tài)線性響應(yīng)和動(dòng)態(tài)非線性響應(yīng),并在響應(yīng)中加入噪聲信號(hào),以全面真實(shí)地模擬實(shí)際傳感器的各種響應(yīng)情況。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說(shuō)明。
圖1是本系統(tǒng)的硬件框圖,系統(tǒng)由ADSP2181 EZ-KIT Lite(或ADSP2181、EPROM、串行接口電路等)、模擬輸出通道和邏輯控制電路組成。模擬輸出通道是由濾波器和跟隨輸出放大器組成。
圖2是本發(fā)明系統(tǒng)的部分硬件原理圖,包括ADSP2181 EZ-KIT Lite(圖中畫的是它的引出腳插座DSP P2和DSP P3,它們引出了ADSP-2181 EZ-KIT Lite的100個(gè)引腳,包括數(shù)據(jù)線,控制線和地址線)。
圖3是本系統(tǒng)的部分硬件原理圖,包括1個(gè)至8個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A),圖中只畫了其中的1個(gè)D/A。
圖4是本發(fā)明系統(tǒng)的部分硬件原理圖,包括邏輯控制電路。
圖5是本發(fā)明系統(tǒng)的部分硬件原理圖,包括1個(gè)至8個(gè)濾波器(R3,C3)和跟隨放大器,圖中只畫了其中的1個(gè)RC濾波器和跟隨放大器U1(LF351)。
圖6是本發(fā)明系統(tǒng)的軟件流程圖。
圖7是本發(fā)明系統(tǒng)的解差分方程軟件流程圖。
圖8是本發(fā)明系統(tǒng)的解非線性方程的軟件流程圖。
圖9是本發(fā)明系統(tǒng)的非線性曲線圖。
圖10是本發(fā)明系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的內(nèi)存分布圖。
選用DSP作為傳感器模擬系統(tǒng)的核心。DSP體積小,運(yùn)算速度快,指令周期為30ns,且為并行處理方式,一條指令就可以完成一次乘法操作或移位運(yùn)算,還有多功能指令,完全可以滿足傳感器模擬系統(tǒng)信號(hào)產(chǎn)生的要求,具體選用AD公司的ADSP-2181芯片。ADSP2181有片內(nèi)16k(24位)程序存儲(chǔ)器和16k(16位)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,這樣在構(gòu)成系統(tǒng)時(shí),就可以不用外接存儲(chǔ)器,體積小,成本低,工作可靠。
為了方便實(shí)現(xiàn),本發(fā)明用ADSP2181 EZ-KIT Lite為信號(hào)產(chǎn)生的核心。ADSP2181 EZ-KIT Lite是AD公司為開(kāi)發(fā)ADSP2181而研制的實(shí)驗(yàn)板,該板是一個(gè)完整的信號(hào)處理系統(tǒng),也是ADSP2181最小化實(shí)現(xiàn)的一個(gè)實(shí)例。這塊板主要包括ADSP2181數(shù)字信號(hào)處理器,一片EPROM,各種支持電路和與PC通訊的RS-232接口電路等。
此系統(tǒng)可以具有1路至8路輸出,所以輸出通道中需要8片D/A。系統(tǒng)中采用的是MAX507ACNG,如圖3所示。這種芯片的最大優(yōu)點(diǎn)是速度快,可以和ADSP2181的時(shí)序相匹配,輸出是電壓,無(wú)須電壓轉(zhuǎn)換電路,內(nèi)部帶有電壓參考源,輸出范圍是0~10V或-5~+5V可調(diào),差分非線性±1LSB,滿量程輸出電壓誤差±0.2%,輸出電壓建立時(shí)間最大5μs,數(shù)據(jù)寫入只需100ns。MAX507ACNG的數(shù)據(jù)線D0~D11與ADSP2181數(shù)據(jù)線的高十六位D12~D23相連,如圖2和圖3所示;WR與ADSP2181的WR腳相連控制線LDAC與ADSP2181的輸出管腳PF4相連,如圖4所示;CLR始終接+5V。
采用了74F138PC三線一八線譯碼器,組成邏輯控制電路,如圖4所示。A0,A1和A2為ADSP2181低3位地址線,以ADSP2181的輸入輸出存儲(chǔ)器選擇IOMS作為譯碼器的使能信號(hào),這樣ADSP2181在發(fā)出外圍設(shè)備讀寫指令時(shí),譯碼器才能開(kāi)始工作。譯碼器的輸出Y1~Y8分別和8個(gè)D/A的片選端相連。
圖5是濾波器和跟隨放大器電路,通過(guò)開(kāi)關(guān)S11,S12,S13的開(kāi)啟和閉合可以對(duì)圖2中D/A1的輸出OUT(即圖5中的in信號(hào))進(jìn)行濾波或跟隨,或者同時(shí)完成濾波跟隨。當(dāng)開(kāi)關(guān)S11和S12同時(shí)合向2,S13斷開(kāi)時(shí)電路完成濾波功能。由于D/A轉(zhuǎn)換后的輸出有毛刺,如果要求輸出的波形比較光滑,就需要對(duì)其進(jìn)行濾波,這里采用了一階阻容濾波電路。若信號(hào)的范圍在1.5kHz以內(nèi),濾波器的截止頻率可設(shè)為f0=12πRC=12π×0.1×10-6≈8×103(Hz)]]>這樣就可以濾掉高頻分量。當(dāng)開(kāi)關(guān)S11合向1,S12斷開(kāi)(既不合向1,也不合向2),S13合上時(shí),電路僅完成跟隨功能;當(dāng)開(kāi)關(guān)S11合向2,S12合向1,S13也合上時(shí)電路完成濾波和跟隨功能。
圖6是本發(fā)明系統(tǒng)的軟件流程圖。初始化是將輸入信號(hào)階躍和脈沖等存到內(nèi)存中。中斷是由系統(tǒng)的定時(shí)器產(chǎn)生的,例如50μs,在響應(yīng)一個(gè)中斷中,程序先按順序讀取一個(gè)輸入信號(hào)的值,再解差分方程,差分方程的輸出通過(guò)查表產(chǎn)生非線性輸出,此輸出送到內(nèi)存的固定的地方,等下一個(gè)中斷到來(lái)時(shí),送出這個(gè)值,然后再讀入下一個(gè)輸入值,再解差分方程,差分方程的輸出通過(guò)查表產(chǎn)生非線性輸出,此輸出送到內(nèi)存的固定的地方,等下一個(gè)中斷到來(lái)時(shí),送出這個(gè)值,如此循環(huán)就可產(chǎn)生動(dòng)態(tài)非線性響應(yīng)。
產(chǎn)生線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)是以解差分方程為基礎(chǔ)的。解差分方程子程序的軟件流程圖如圖7所示。MR為ADSP2181的乘積寄存器,an和bn分別為y(t-n)和x(t-n)的系數(shù),放在不同的數(shù)組寄存器中。第一次循環(huán)計(jì)算n-1次an×y(t-n),第二次循環(huán)計(jì)算n次bn×x(t-n)并與第一次循環(huán)計(jì)算結(jié)果相加,最終MR寄存器中即為差分方程的結(jié)果。
圖8是產(chǎn)生靜態(tài)非線性輸出的流程圖。由于用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)非線性在編程上比較困難,這里我們采用了查表和插值的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如有非線性方程z=f(y)= (要求非線性方程為單調(diào)函數(shù)),其輸入輸出曲線如圖9所示。先確定y的取值范圍(如-4<y<4),在這個(gè)范圍中計(jì)算出對(duì)應(yīng)的z值,設(shè)在這個(gè)范圍中有n個(gè)點(diǎn),這樣就有n對(duì)坐標(biāo)(yi,zt)。然后將這n對(duì)坐標(biāo)按順序存入內(nèi)存,如圖10所示。查表程序根據(jù)內(nèi)存情況而進(jìn)行的,如圖10所示,對(duì)應(yīng)任意的yi(yi應(yīng)在上述指定范圍中),總能夠查到(yi-1,zi-1)和(yi-1,zi-1),有yi-1<yi<yi+1,這時(shí)yi對(duì)應(yīng)的zi值就可以通過(guò)插值來(lái)求得。對(duì)于y不在上述范圍之內(nèi)時(shí),直接取最小值z(mì)1或最大值z(mì)n,即如果非線性輸出z在表格之外時(shí),也即y比表格中的最大值大或比最小值小時(shí),y所對(duì)應(yīng)的非線性輸出就不需要插值,而直接輸出表格中的最大值或最小值。本發(fā)明沒(méi)有采用折半查表的方法是為了提高查表的速度,這主要是針對(duì)大多數(shù)系統(tǒng),因?yàn)橐话愕南到y(tǒng)輸出都是連續(xù)的,輸出值不存在很大的突變,前后兩次輸出值在表格中也比較接近,在表格中這兩個(gè)值也很靠近,查表程序都要由地址指針I(yè)5來(lái)記錄上一次查表結(jié)果的位置,在下一點(diǎn)y開(kāi)始查表時(shí),就以此I5的值(設(shè)為Y)為基準(zhǔn)點(diǎn),比較y與Y值的大小,如果y>Y則向表格地址增加的方向進(jìn)行查表,否則向地址減小的方向查表。這種方法將比折半更能減少查表的次數(shù)。具體查表過(guò)程如下先將I5的值賦給I6,再將差分方程的輸出值讀入AY0(I5先記下的是上一次查表所停止的位置),AY0于表格中的最小值比較,如果AY0比表格中的最小值小時(shí),輸出表格中最小值所對(duì)應(yīng)的非線性輸出,如果AY0比表格中最小值大時(shí),再將AY0與表格中的最大值比較,如果AY0比表格中的最大值大時(shí),輸出表格中最大值所對(duì)應(yīng)的非線性輸出,如果AY0不比表格中最大值大時(shí),將AY0如I6所指向的值(此值是上一次查表停止的地方)比較,在AY0比I6所指向的值大時(shí),查表方向是指向表格單元地址增大的方向,I6=I6+2,此語(yǔ)句作用是取下一個(gè)數(shù)來(lái)比較,如果這時(shí)AY0仍小于I6所指向的值時(shí),I6地址繼續(xù)加2,直到某一I6,此I6所指向的值大于AY0,這時(shí)應(yīng)是查表停止的位置了,將I6+1的值賦給AX0,將I6-2的值賦給AY0;非線性輸出采用了均值的方法,即OUT=(AX0+AY0)/2,查表停止的位置I6將存到I5中以便下一次查表之用。如果AY0的值比I6所指向的小時(shí),查表的方向是向著表格地址減少的方向進(jìn)行的,這時(shí)取下一個(gè)數(shù)據(jù)的語(yǔ)句是I6=I6-2,如果AY0的值大于I6所指向的值時(shí),I6的地址將繼續(xù)減小,直到某一I6所指向的值小于AY0的值,這時(shí)查表過(guò)程停止,將I6+1的值賦給AX0,將I6+2的值賦給AY0;非線性輸出為OUT=(AX0+AY0)/2,再將I6中的地址值賦給I5,以便下一次查表之用。
若要產(chǎn)生線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí),其系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)只需將圖6中的“求解非線性方程產(chǎn)生動(dòng)態(tài)非線性響應(yīng)”環(huán)節(jié)去掉即可。
若要是動(dòng)態(tài)響應(yīng)中有噪聲,首先用C語(yǔ)言產(chǎn)生大量的噪聲數(shù)據(jù),然后歸一化處理,再存到內(nèi)存中,這樣在輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)之前,將此動(dòng)態(tài)響應(yīng)加上一個(gè)噪聲數(shù)據(jù),再輸出此值。
若要模擬多維力傳感器,產(chǎn)生多路含有耦合分量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào),則此系統(tǒng)將要解多路線性差分方程,含有多路輸出,這時(shí)根據(jù)實(shí)際耦合情況將對(duì)應(yīng)的線性方程的輸出相加,得到耦合信號(hào),再將此信號(hào)輸出即可。
若要模擬多個(gè)傳感器,并要求輸出信號(hào)之間具有規(guī)定的相位差,則先在內(nèi)存中存入多個(gè)正弦信號(hào),信號(hào)之間有相位差,再將這些正弦信號(hào)同時(shí)輸出即可。例如,產(chǎn)生兩路頻率和相位差均可調(diào)的信號(hào),模擬科里奧利質(zhì)量流量計(jì)中的兩個(gè)傳感器的信號(hào),以便調(diào)試和考核科氏流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種傳感器的模擬系統(tǒng),該系統(tǒng)由DSP、模擬輸出通道、邏輯控制電路、EPROM、串行接口電路以及相應(yīng)的軟件組成,其特征在于DSP芯片及邏輯控制電路部分和系統(tǒng)中的模擬輸出通道、EPROM、串行接口電路相連,構(gòu)成動(dòng)態(tài)線性和非線性特性響應(yīng)、并產(chǎn)生各種噪聲;系統(tǒng)的1~8個(gè)輸出端與傳感器動(dòng)態(tài)校正系統(tǒng)或流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)等的輸入端相連;ADSP2181通過(guò)軟件產(chǎn)生各種形式的動(dòng)態(tài)線性和非線性響應(yīng)信號(hào),以及噪聲信號(hào),在邏輯電路的控制下,ADSP2181與8個(gè)D/A中的一個(gè)或多個(gè)相連,將信號(hào)送給D/A,再經(jīng)過(guò)濾波和跟隨,最后輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)。
2.一種傳感器的模擬系統(tǒng),其特征在于DSP芯片及邏輯控制電路,采用解差分方程以及查表和插值相結(jié)合的方法,產(chǎn)生傳感器的動(dòng)態(tài)線性和非線性響應(yīng);通過(guò)算法,產(chǎn)生噪聲信號(hào);在初始化過(guò)程中,將輸入信號(hào)階躍或脈沖等存到內(nèi)存中,響應(yīng)由系統(tǒng)的定時(shí)器產(chǎn)生的一個(gè)中斷中,程序先按順序讀取一個(gè)輸入信號(hào)的值,再解差分方程,差分方程的輸出通過(guò)查表產(chǎn)生非線性輸出,此輸出送到內(nèi)存的固定的地方,等下一個(gè)中斷到來(lái)時(shí),送出這個(gè)值,然后再讀入下一個(gè)輸入值,再解差分方程,差分方程的輸出通過(guò)查表產(chǎn)生非線性輸出,此輸出送到內(nèi)存的固定的地方,等下一個(gè)中斷到來(lái)時(shí),送出這個(gè)值,如此循環(huán)就產(chǎn)生動(dòng)態(tài)線性和動(dòng)態(tài)非線性響應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利2所述的一種傳感器的模擬系統(tǒng),其特征在于DSP芯片及邏輯控制電路,采用解差分方程算法,產(chǎn)生多路各種形式的動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)(例如,階躍響應(yīng)、脈沖響應(yīng)等)和多通道之間的耦合信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利2所述的一種傳感器的模擬系統(tǒng),其特征在于DSP芯片及邏輯控制電路,采用解差分方程以及查表和插值相結(jié)合的方法,產(chǎn)生多路不同形式的動(dòng)態(tài)非線性響應(yīng)信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利2所述的一種傳感器的模擬系統(tǒng),其特征在于DSP芯片及邏輯控制電路,產(chǎn)生各種噪聲信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利1所述的一種傳感器的模擬系統(tǒng),其特征在于輸出通道由若干個(gè)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(D/A)、若干個(gè)濾波器和若干個(gè)跟隨放大器(例如,各為1~8個(gè))組成。
全文摘要
一種由DSP、模擬輸出通道、邏輯控制電路、EPROM、串行接口電路以及相應(yīng)軟件組成的傳感器模擬系統(tǒng)。用查表和插值及解差分方程的方法等,產(chǎn)生多路各種形式的動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)和多通道之間的耦合信號(hào),以便調(diào)試和考核傳感器的動(dòng)態(tài)線性和非線性校正系統(tǒng);產(chǎn)生各種噪聲信號(hào),以便考核動(dòng)態(tài)校正系統(tǒng)的抗干擾性能。
文檔編號(hào)G01D3/02GK1288148SQ0012982
公開(kāi)日2001年3月21日 申請(qǐng)日期2000年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月27日
發(fā)明者徐科軍, 朱志能, 陳榮保, 蘇建徽, 劉家軍 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)