一種高精度低成本的電子測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種通過將盡可能多的測量信號(hào)調(diào)理工作從硬件電路轉(zhuǎn)移到智能移動(dòng)設(shè)備上的軟件計(jì)算來提高精度降低成本的電子測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，傳感器的輸出值與輸入值的比值并非直線。所以往往需要用實(shí)際輸出值與擬合直線的對比來確定傳感器的靜態(tài)線性度。此外，傳感器還需要通過校準(zhǔn)數(shù)據(jù)來保證精度。然而因?yàn)槌杀竞蜕a(chǎn)效率限制，傳感器在生產(chǎn)過程中難以精確測定其本身的特性曲線，只能在保證同批次傳感器的精度在所需范圍內(nèi)的前提下，以所有產(chǎn)品的通用數(shù)據(jù)加以校準(zhǔn)。單個(gè)傳感器的精度因此受群體平均校準(zhǔn)數(shù)值的限制。
[0003]此外，由于傳感器輸出值和測量值的比值并非直線，傳感器在滿量程范圍內(nèi)各點(diǎn)的分辨率并不相同，因此常用滿量程中能使輸出量產(chǎn)生階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量分辨率的指標(biāo)。這也是當(dāng)前傳感器生產(chǎn)中因成本和生產(chǎn)率限制，而使得每個(gè)傳感器的分辨率受到群體平均數(shù)值限制的原因。同理，批量生產(chǎn)的傳感器，其標(biāo)稱的線性度、靈敏度、遲滯、零點(diǎn)漂移、靈敏度溫度漂移等參數(shù)的提高也因此受限。
[0004]因此，為了提高傳感器的測量精度，產(chǎn)生了差動(dòng)技術(shù)、零示法微差法和閉環(huán)技術(shù)、平均技術(shù)、分段與細(xì)分技術(shù)、解耦技術(shù)、補(bǔ)償與校正技術(shù)等等一系列技術(shù)解決方案。上述用于提高精度的技術(shù)中，大部分技術(shù)只能用于特定領(lǐng)域或特定的傳感器種類，補(bǔ)償與校正技術(shù)通用性雖然較強(qiáng)，然而補(bǔ)償和校正電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本較高，而軟件補(bǔ)償校正需要高性能單片機(jī)或計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力支持。
[0005]就算能解決傳感器本身的精度問題，信號(hào)調(diào)理電路帶來的誤差也是不可忽視的。比如信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)通常需要給定:I輸入信號(hào)、2輸出信號(hào)幅值、3總增益、4工作頻帶、5非線性失真、6環(huán)境溫度、7輸入阻抗、8輸入噪聲、9電源電壓等等條件參數(shù)。然而在實(shí)際設(shè)計(jì)中，很難兼顧或者測量得到全部所需數(shù)據(jù)。這就從源頭上限制了放大電路的精度，即便采用高性能的集成運(yùn)算放大器也無法解決上面的問題。同樣道理，濾波電路和集成有源濾波器雖然能濾除噪聲信號(hào)，但對于所需信號(hào)也會(huì)帶來測量系統(tǒng)測量精度下降。采樣保持電路、模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換、V/F轉(zhuǎn)換電路之類亦同。與此同時(shí)，對于測量儀器設(shè)備來說，因?yàn)楦鱾€(gè)部件和功能模塊各自的誤差會(huì)和各種其他的隨機(jī)誤差一起積累成為系統(tǒng)誤差，而且測量系統(tǒng)中必然會(huì)存在未定系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，從而累積成一個(gè)較大的系統(tǒng)誤差。因此，花費(fèi)較大成本提高傳感器本身的精度，或者某個(gè)功能電路模塊的精度，對提高系統(tǒng)精度來說效果并不明顯，更不經(jīng)濟(jì)。
[0006]為部分解決上述問題，美國宇航局1978年開發(fā)出智能傳感器(Intel IigentSensor)，是將傳感器和計(jì)算機(jī)一體化的多功能靈巧型傳感器系統(tǒng)。當(dāng)前的智能化傳感器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了微型化、結(jié)構(gòu)一體化、陣列式和數(shù)字式等目標(biāo)，具有自診斷功能、記憶與信息處理功能、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、多參量測量功能、聯(lián)網(wǎng)通行功能、邏輯思維以及判斷功能。在此基礎(chǔ)上又發(fā)展出了功能更強(qiáng)和更全面的虛擬儀器技術(shù)。現(xiàn)有大部分智能傳感器與虛擬儀器一樣依賴外接的計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ脝纹瑱C(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，少數(shù)集成智能傳感器主要集中于圖像傳感器。典型的智能儀器遵循IEE1451標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開發(fā)，一般需要兩塊高性能MCU和若干塊MCP2510、PCA82C250T等輔助芯片分別組成“智能變送器模塊”(STM)和“網(wǎng)絡(luò)適配器模塊”(NCAP)對傳感器獲得的信號(hào)進(jìn)行基本的調(diào)理和傳輸。智能傳感器和虛擬儀器一樣，雖然精度較高，但使用成本和技術(shù)門檻過高，電路開發(fā)難度較大，且需要行業(yè)專家進(jìn)行編程操作，所以主要用于實(shí)驗(yàn)室，醫(yī)療和科研領(lǐng)域，難以在日常設(shè)備中普及。
[0007]因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，許多對精度有嚴(yán)格要求的測量產(chǎn)品或設(shè)備，一旦成本和體積等條件受限，就難以保證較高的測量精度。典型的例子是國產(chǎn)血糖儀的國標(biāo)GB/T 19634-2005，其合格產(chǎn)品的要求只是要求95%的測試數(shù)據(jù)結(jié)果落在偏差±20%以內(nèi)。對于血糖數(shù)值來說，土 20 %誤差區(qū)間，意味著兩次獨(dú)立檢測如果稍稍接近上下極限偏差，則檢測結(jié)果足以跨越無糖尿病、輕度糖尿病(空腹血糖7.0?8.4mmoi/L)到中度糖尿病(空腹血糖8.4?
11.lmmoi/L)之間的數(shù)值區(qū)間。還有5%的檢測結(jié)果可以成為毫無參考價(jià)值但很可能對用戶引起誤導(dǎo)的粗大誤差一一因?yàn)闆]有專業(yè)知識(shí)，普通用戶在單次測量中根本無法用經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)排除5%的錯(cuò)誤測量值的影響。這導(dǎo)致了大部分國產(chǎn)血糖儀只能用于某個(gè)固定糖尿病患者日常血糖波動(dòng)量(如一段時(shí)期內(nèi)血糖有無快速上升)的定性檢測，完全無法替代醫(yī)院的血糖生化檢測，極大限制了國產(chǎn)家用型血糖儀的醫(yī)療診斷價(jià)值和市場前景。同樣情況也發(fā)生在家用電子血壓計(jì)、采用生物電阻抗法的體脂測量儀、家用心率儀等大量電子檢測產(chǎn)品上。
[0008]值得一提的是，當(dāng)前已有的傳統(tǒng)虛擬儀器是一種利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力和豐富的軟硬件資源組織而成的儀器系統(tǒng)。更詳細(xì)地說，現(xiàn)有的虛擬儀器能夠通過一臺(tái)計(jì)算機(jī)上配備專門的應(yīng)用軟件和專用硬件(如插入式板卡等)，來完成傳統(tǒng)儀器的功能?，F(xiàn)有的虛擬儀器由I/o接口設(shè)備進(jìn)行信號(hào)的采集、測量和調(diào)理，利用計(jì)算機(jī)顯示器模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，由用戶設(shè)計(jì)虛擬面板，以多種形式表達(dá)輸出檢測結(jié)果，并利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分析、運(yùn)算和處理一一這部分功能傳統(tǒng)電子儀器往往用模擬放大、濾波電路和單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，從而使計(jì)算機(jī)具有各種測試功能。此類虛擬儀器的功能極為強(qiáng)大，配合Nat1nal Instrument公司的LabVIEW軟件和數(shù)據(jù)采集設(shè)備可以替代絕大部分傳統(tǒng)電子儀器。但傳統(tǒng)虛擬儀器因?yàn)樾枰嫒萑鏡S485等大量專業(yè)儀表通訊標(biāo)準(zhǔn)，只能通過包含大量不同接口的插入式板卡與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，所以其體積較大，非常不便于攜帶和移動(dòng)測量所用。且傳統(tǒng)虛擬儀器系統(tǒng)為滿足幾乎萬能的通用性和科研測量級(jí)別的精度要求，成本十分昂貴，并為提高虛擬系統(tǒng)的測量和功能范圍有需要用戶對虛擬面板和用戶界面進(jìn)行二次開發(fā)的問題，對用戶需要有極高的專業(yè)知識(shí)要求，從而阻礙了虛擬儀器在非專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0009]當(dāng)前智能手機(jī)等智能移動(dòng)設(shè)備處理器的性能和功能正在快速提高，智能移動(dòng)設(shè)備的操作系統(tǒng)和編程環(huán)境日趨完善，所以智能移動(dòng)設(shè)備的性能和軟件環(huán)境已經(jīng)可以滿足絕大部分虛擬儀器所需，且有便于攜帶、成本較低等優(yōu)勢。如能實(shí)現(xiàn)通過由智能移動(dòng)設(shè)備的計(jì)算能力替代相對更加龐大和昂貴的個(gè)人電腦和工作站的效果，并簡化通訊和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，可有效降低使用成本，簡化操作以便于滿足中低端市場領(lǐng)域中各種高精度低成本測量所需。當(dāng)前有很多利用智能移動(dòng)設(shè)備作為測量系統(tǒng)I / O部分的專利，如專利CN201510301587.4、專利 CN20152369193.8和專利CN201510276162.2等，均保留有完整的測量和計(jì)算電路，僅將智能移動(dòng)設(shè)備作為附加的“易用型輸入-輸出界面”、更大容量的移動(dòng)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存設(shè)備和連接因特網(wǎng)的擴(kuò)展功能模塊。然而此時(shí)，智能移動(dòng)設(shè)備只起到功能擴(kuò)展效果，測量設(shè)備本身依然需要依賴單片機(jī)或工控電腦(依測量種類和難度不同進(jìn)行選擇)處理核心測量數(shù)據(jù)，并沒有革命性的變化。這是因?yàn)椋Ｍ?