無線水位檢測(cè)系統(tǒng)與壓力傳感器補(bǔ)償方法的研究

     摘  要： 一種基于ATmega16和FC222-CH的無線水位檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由無線通信模塊、電源模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、上位機(jī)模塊組成，實(shí)現(xiàn)了水位的無線檢測(cè)、運(yùn)行故障報(bào)警等功能，并配以自行設(shè)計(jì)的LabVIEW 8.5上位機(jī)顯示界面，使整套開發(fā)系統(tǒng)兼?zhèn)淇梢暬c實(shí)時(shí)性的雙重要求。

　　近年來，隨著我國(guó)地質(zhì)勘探水平的不斷提高，水位檢測(cè)、溫度檢測(cè)、金屬含量檢測(cè)等技術(shù)已日趨成熟。但是，當(dāng)進(jìn)行具體工程應(yīng)用時(shí)，還需要考慮很多因素。本文根據(jù)地質(zhì)勘探隊(duì)在勘探礦井等自然環(huán)境惡劣、不適合機(jī)動(dòng)車駛?cè)胍约肮ぷ魅藛T長(zhǎng)期駐留的情況，提出了無線遠(yuǎn)程檢測(cè)方法。檢測(cè)系統(tǒng)中的壓力傳感器多選用單晶硅壓力傳感器。因?yàn)榇朔N傳感器是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)制成，其壓阻系數(shù)隨溫度變化而變化，且壓阻效應(yīng)原理本身即可引起傳感器輸出的溫度漂移[1]。另外，半導(dǎo)體敏感元件的制作工藝也會(huì)帶來傳感器的整體溫漂，這就需要有一套行之有效的方法來解決壓力傳感器自身易受溫度影響所帶來的缺陷。于是提出了一種基于拉格朗日插值的補(bǔ)償方法，大大提高了檢測(cè)的可靠性。上位機(jī)顯示界面采用LabVIEW 8.5設(shè)計(jì)，界面友好、易于操作，不僅能顯示數(shù)據(jù)變化曲線，而且能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)和分時(shí)存儲(chǔ)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，還可以及時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。

　　1 水位檢測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

　　水位檢測(cè)系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)思想,由無線通信模塊、信號(hào)采集模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　系統(tǒng)以顯示端控制器為主機(jī)，信號(hào)采集端控制器為從機(jī)。主機(jī)發(fā)送開始信號(hào)，通過無線電臺(tái)傳遞給從機(jī)，從機(jī)接到信號(hào)后，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)阻抗變換(電壓跟隨)將采集到的數(shù)據(jù)傳給12 bit精度的AD574進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，再由AVR16使用拉格朗日插值原理進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后經(jīng)Max232把這些信號(hào)傳遞給上位機(jī)LabVIEW進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

　　2 水位檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 Atmega16 的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)

　　ATmega16是ATMEL公司在2002年推出的一款新型AVR高檔單片微處理器。其主要優(yōu)點(diǎn)是芯片本身自帶16 KB Flash程序存儲(chǔ)器、512 B EEPROM、1 KB SRAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、看門狗電路以及8通道10 bit A/D轉(zhuǎn)換；附帶SPI同步串口、UART異步串口，在軟件上有效支持C語言和匯編語言。

　　2.2 AD模塊

　　AD574A是美國(guó)模擬器件公司（Analog Devices）推出的單片高速12 bit逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換芯片，具有外接元件少、功耗低、精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個(gè)完整的A/D轉(zhuǎn)換器。其主要功能特性：分辨率為12 bit、非線性誤差小于±1/2 LBS或±1 LBS、轉(zhuǎn)換速率25 μs、模擬電壓輸入范圍0 V～10 V和0 V～20 V或0 V～±5 V和0 V～±10 V兩檔四種、電源電壓±15 V和5 V、數(shù)據(jù)輸出格式為12 bit/8 bit、芯片工作模式全速工作模式和單一工作模式。

　　2.3 電源模塊

　　另外，還要求電源尺寸盡量小，能使電源部分與AVR系統(tǒng)中的控制與驅(qū)動(dòng)部分放在同一個(gè)控制盒內(nèi)。整個(gè)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，各路輸出之間相互電氣隔離，其中要求控制電源的主輸出功率大，穩(wěn)壓精度為±5%，用作驅(qū)動(dòng)的各路輸出功率較小，穩(wěn)壓精度為±10%。

　　2.4 無線通信模塊

　　主機(jī)采用FC222-CH與從機(jī)通信。FC222-CH是深圳友訊達(dá)公司利用先進(jìn)的單片機(jī)技術(shù)、無線射頻技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)和語音處理技術(shù)設(shè)計(jì)的雙向數(shù)據(jù)傳輸及低功耗模塊化電臺(tái)。它具有頻點(diǎn)可調(diào)、帶寬可調(diào)、功率可調(diào)、多信道、高編碼效率、接收靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，并提供了RS-232、RS-485和TTL 3種數(shù)據(jù)接口。該系統(tǒng)采用此設(shè)備可以滿足泵房供水遠(yuǎn)程控制的需要。在該系統(tǒng)中FC222-CH選擇RS-232數(shù)據(jù)接口。

　　2.5 鍵盤模塊和顯示模塊

　　通過鍵盤模塊設(shè)置實(shí)際大氣壓和水的密度、存取數(shù)據(jù)時(shí)間間隔等系統(tǒng)工作參數(shù)，并將這些工作參數(shù)存儲(chǔ)于Atmega16的EEPROM中，下次使用時(shí)，無需用戶再次輸入這些參數(shù)，從而使深水水位檢測(cè)系統(tǒng)具有記憶功能。采用PC機(jī)進(jìn)行水位實(shí)時(shí)顯示，正常運(yùn)行時(shí)顯示水位、溫度、電源供電情況、串口使用以及波特率的設(shè)置情況。發(fā)生故障時(shí)以模塊化進(jìn)行顯示，如AD模塊是否工作、電源模塊是否供電、通訊模塊是否正常等，以便于在出錯(cuò)的情況下進(jìn)行維修，并且在串口線接觸不良時(shí)采用聲光報(bào)警，以提醒人們進(jìn)行連接。

　　3 水位檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)

　　水位檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，用C語言編程實(shí)現(xiàn)。軟件的各個(gè)功能模塊之間通過入口和出口參數(shù)相互聯(lián)系，可以縮短開發(fā)周期。圖3為主程序結(jié)構(gòu)圖。

　　3.2 數(shù)傳電臺(tái)的參數(shù)設(shè)置

　　數(shù)傳電臺(tái)的參數(shù)設(shè)置包括地址碼、版本號(hào)、功率等級(jí)、信道選擇、空中波特率、串口波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)方式、頻率逆變模式、帶寬等參數(shù)的設(shè)置。2個(gè)電臺(tái)的參數(shù)設(shè)置如圖4(a)、圖4(b)所示。

　　3.3 利用拉格朗日插值法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

　　壓阻式傳感器的測(cè)量精確度很大程度上受非線性和環(huán)境溫度的影響,如何對(duì)傳感器所產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補(bǔ)償就成為設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在硬件上，一般補(bǔ)償方法都是修正橋路電阻的差異性以及橋臂電阻的漏電流、裝配應(yīng)力等，但由于其外圍元件較多會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性差、精確度不高，在復(fù)雜的工況下很難達(dá)到理想的預(yù)期效果。隨著微處理器技術(shù)在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用,使得通過設(shè)計(jì)軟件算法實(shí)現(xiàn)傳感器工作特性的自動(dòng)補(bǔ)償成為可能。本設(shè)計(jì)著重分析了單晶硅壓阻式壓力傳感器工作特性曲線的變化,給出了一種對(duì)其誤差進(jìn)行修正的軟件算法，可在很寬的溫度范圍內(nèi)保證傳感器的精確度幾乎不變,并可廣泛移植于其他壓阻式壓力傳感器的補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

　　隨著壓強(qiáng)的增大電壓逐漸增大，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，可測(cè)得如下有效數(shù)據(jù)，見表1。

　　由于實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)存在一定的微小的誤差，所以應(yīng)該使用濾波手段，去偽存真，得到所需要的近似值。在此采用冒泡法進(jìn)行處理，去掉最大最小值，然后取算數(shù)平均值（注：0.1 Mpa即在地面測(cè)的電壓值，對(duì)應(yīng)1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）。

　　U0：第一組測(cè)得的電壓值。

　　U1：第二組測(cè)得的電壓值。

　　U2：第五組測(cè)得的電壓值。

　　x(n)：濾波后的電壓值，n取1、2、3、4、5分別對(duì)應(yīng)5個(gè)壓強(qiáng)采集點(diǎn)。

　　利用拉格朗日插值算法對(duì)其進(jìn)行解析：

　　4 上位機(jī)LabVIEW顯示模塊

　　LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，類似于C和BASIC。但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序?yàn)榭驁D形式。

　　主機(jī)端的上位機(jī)程序由LabVIEW軟件編寫，可對(duì)從現(xiàn)場(chǎng)采集到的各種實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行處理，界面友好、易于操作，對(duì)因故障引起的斷路問題可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，安全可靠。

　　5 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

　　5.1 測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的問題

　　實(shí)驗(yàn)環(huán)境：

　　(1)將探頭接到300 m鎧裝電纜上，放進(jìn)室外5 m深鐵質(zhì)水管中，環(huán)境適宜。

　　(2)在電臺(tái)測(cè)試時(shí)采用12 V的直流電源，電臺(tái)的功率為5 W，實(shí)驗(yàn)距離為1 000 m，并且電臺(tái)2的天線高度保持在3.4 m不變。

　　這種情況下會(huì)產(chǎn)生以下問題：

　　(1)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)電路接觸不可靠、微處理器復(fù)位、死機(jī)、外殼漏電。

　　(2)上位機(jī)顯示信號(hào)抖動(dòng)，失真嚴(yán)重。

　　(3)無線通信的信號(hào)質(zhì)量差。

　　圖5為實(shí)驗(yàn)中的水位曲線。

　　5.2 問題的解決方案

　　根據(jù)以上問題提出了如下解決方案：

　　(1)針對(duì)電路接觸不可靠的問題，采用PCB板代替銅模實(shí)驗(yàn)板，并在PCB制板過程中采取了抗干擾措施，例如布線時(shí)電源線和地線盡量寬；數(shù)字地和模擬地分開布線；合理配置去耦電容；電路板進(jìn)行覆銅等。

　　(2)針對(duì)微處理器死機(jī)、復(fù)位等問題，采取軟硬件相結(jié)合的抗干擾措施。在硬件上采用光電隔離技術(shù)；軟件上設(shè)置標(biāo)志位；關(guān)鍵出口驗(yàn)證；對(duì)通信發(fā)送指令等重要指令采用指令冗余技術(shù)；在RAM中設(shè)定上電復(fù)位標(biāo)志。

　　(3)針對(duì)不潔凈電源以及電源間的互相干擾，采用開關(guān)電源分別供電的方法進(jìn)行處理。

　　(4)由于電纜長(zhǎng)度為300 m，會(huì)在導(dǎo)線間形成分布電容，并且多余的電纜纏繞在卷筒上，等效一個(gè)大電感，會(huì)對(duì)電路穩(wěn)定性造成影響，因此采用軟件濾波（冒泡法）的方法進(jìn)行彌補(bǔ)。處理后圖形如圖6。

　　此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)已經(jīng)成功運(yùn)行了2個(gè)月，沒有出現(xiàn)任何故障現(xiàn)象。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明：該整定方法能有效減小測(cè)量誤差，滿足現(xiàn)場(chǎng)的使用要求，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。同時(shí)提出的可靠性設(shè)計(jì)方案對(duì)同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有一定的借鑒價(jià)值。