基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的智能壓力傳感器研究

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能傳感器系統(tǒng)已成為計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)新的研究方向，而信息融合技術(shù)又為開發(fā)多功能傳感器系統(tǒng)開辟了途徑。在此采用ADuC812單片機(jī)設(shè)計(jì)硬件電路，實(shí)現(xiàn)信號處理，利用多維回歸分析法消除多參數(shù)狀態(tài)下復(fù)合靈敏度的影響，提高傳感器的精度，并通過MAX232收發(fā)器實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與傳感器測量系統(tǒng)之間的通信，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和打印等功能，使測量系統(tǒng)更加完善。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有體積小，攜帶方便，精度高和功能強(qiáng)的特點(diǎn)，適合航空、宇航、海洋和化學(xué)等場所的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：智能壓力傳感器；信息融合技術(shù)；多維回歸分析法；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

0 引言
    隨著高性能計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)傳感器已不再與其測控系統(tǒng)相適應(yīng)。控制系統(tǒng)要求傳感器具備較強(qiáng)的信息處理和自我管理能力，以實(shí)現(xiàn)信息的采集與信息的預(yù)處理，減輕控制計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)和提高整個測控系統(tǒng)的可靠性。然而計(jì)算機(jī)則著重于信息的高層次加工和處理，便于在現(xiàn)有硬件條件下大幅度提高系統(tǒng)的性能，簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。智能傳感器系統(tǒng)就是為了更好地適應(yīng)計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的發(fā)展而提出的一個新的研究方向。
    一個壓力傳感器，當(dāng)壓力參量恒定而溫度變化時，其輸出值也發(fā)生改變，即這個壓力傳感器存在溫度參量的復(fù)合靈敏度。當(dāng)傳感器存在復(fù)合靈敏度時，就會致使其性能不穩(wěn)定，測量精度低。多傳感器信息融合技術(shù)就是通過對多個參數(shù)的監(jiān)測并采用一定的信息處理方法來提高每一個參量的測量精度。在只要求測量一個目標(biāo)參量的場合，為提高被測目標(biāo)參量的測量精度，把其他參量當(dāng)作干擾量，消除其影響，使每個參量測量精度都獲得提高，所以傳感器信息融合技術(shù)為開發(fā)多功能傳感器系統(tǒng)開辟了途徑。本文主要討論智能壓力傳感器技術(shù)應(yīng)用和數(shù)據(jù)融合技術(shù)的研究。

1 智能壓力傳感器的硬件設(shè)計(jì)
    圖1為智能壓力傳感器的硬件框圖。在本設(shè)計(jì)中，硬件系統(tǒng)的組成分為2部分：

    (1)傳感器輸出信號的預(yù)處理部分。主要由信號調(diào)理電路組成，包括對靜壓和溫度傳感器的恒壓源電路的設(shè)計(jì)，以及對傳感器輸出信號進(jìn)行濾波放大。
    (2)信號分析處理部分，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并完成對信號的分析處理。
    在信號處理部分，本文著重采用ADuC812單片機(jī)設(shè)計(jì)硬件電路，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，其功能方框圖如圖2所示。由圖2可知ADuC812單片機(jī)與其他單片機(jī)不同的特點(diǎn)：芯片內(nèi)不僅集成了可重新編程非易失性閃速／電擦除程序存儲器的高性能8位(與8051兼容)MCU，還包含了高性能的自校準(zhǔn)8通道ADC及2通道12位DAC；與所有8051兼容的器件一樣，對于程序和數(shù)據(jù)存儲器，ADuC812具有各自獨(dú)立的地址空間，如64 KB外部程序地址空間和16 MB外部數(shù)據(jù)地址空間，但與其他器件不同的是，它包含了片內(nèi)閃速存儲器技術(shù)，可以向用戶提供8 KB的閃速／電擦除程序存儲器、640 KB的閃速／電擦除數(shù)據(jù)存儲器；芯片集成了全部輔助功能塊，可以充分支持可編程的數(shù)據(jù)采集核心。這些輔助功能塊包括看門狗定時器(WDT)、電源監(jiān)視器(PSM)以及ADCDMA功能。另外，為多處理器接口和I／O擴(kuò)展提供了32條可編程的I／O線、IZC兼容的SPI和標(biāo)準(zhǔn)UART串行端口。

    在本文中，將ADuC812單片機(jī)P1口的P1．0，P1．1和P1．2作為三路信號輸入通道。其中一路輸入溫度信號，一路輸入靜壓信號，一路接地，這一路可配合相應(yīng)的軟件來降低溫漂和系統(tǒng)誤差；P1．7口接發(fā)光二極管，用于監(jiān)測單片機(jī)是否正常工作：P2口的P2．0和P2．1作為液晶顯示的輸入脈沖和數(shù)據(jù)端；P3口的P3．0(RXD)和P3．1(TXD)外接一片MAX232，進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)和PC機(jī)的通信。本設(shè)計(jì)采用外部時鐘產(chǎn)生方式．晶體頻率為11．059 2 MHz，采用內(nèi)部基準(zhǔn)，在7引腳(CRER)與AGND之間連接0．1μF的電容。電源復(fù)位電路采用MAX708芯片進(jìn)行復(fù)位。硬件設(shè)計(jì)中最大的亮點(diǎn)是硬件電路簡潔，ADuC812單片機(jī)不用外接A／D和D／A轉(zhuǎn)換器，不占用大量的空間，并且具有可重新編程非易失性閃速／電擦除程序存儲器，調(diào)試簡單。

2 多傳感器數(shù)據(jù)融合算法的選擇
    目前應(yīng)用在智能壓力傳感器的融合算法主要有2種，分別為多維回歸分析法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。
2．1 多維回歸分析法
    回歸分析法的基本思想是：用多維回歸方程來建立被測目標(biāo)參量與傳感器輸出量之問的對應(yīng)關(guān)系。與經(jīng)典傳感器一維實(shí)驗(yàn)標(biāo)定／校準(zhǔn)不同的足要進(jìn)行多維標(biāo)定／校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，通過最小二乘法原理由實(shí)驗(yàn)標(biāo)定／校準(zhǔn)數(shù)據(jù)計(jì)算出回歸方程中的系數(shù)。這樣，當(dāng)測得傳感器輸出值時，就可由已知系數(shù)的多維回歸方程來計(jì)算出相應(yīng)的輸入被測目標(biāo)參數(shù)。具體的算法是已知壓力傳感器輸出電壓U代表壓力信息，另一溫度傳感器輸出電壓Ut代表溫度信息，則壓力參量P’可以用U及Ut二元函數(shù)來表示才完備，即：
     P’=f(U，Ut)
    由二維坐標(biāo)(Ui，Uit)決定的Pi在同一平面上，可利用二維回歸方程來描述：
   
    式中：a0～a5為常系數(shù)；ε1為高階無窮小。
    由最小二乘法原理得到系數(shù)a0～a5，代入二維回歸方程中，確定檢測壓力P’和輸出U的二元輸入-輸出特性。當(dāng)采集到二個傳感器的輸出值U及Ut時，代入式中就可以計(jì)算得到傳感器的被測參量P’。
2．2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法
    神經(jīng)元之間的連接方式不同，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也不同。根據(jù)神經(jīng)元之間的連接方式，可將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為2大類，層次型結(jié)構(gòu)和互聯(lián)型結(jié)構(gòu)。層次型結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將神經(jīng)元按功能分成若干層，如輸入層、中間層(也稱為隱層)和輸出層，各層順序相連。輸入層各神經(jīng)元負(fù)責(zé)接受來自外界的輸入信息，并傳遞給中間各隱層神經(jīng)元；隱層是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部信息處理層，負(fù)責(zé)信息變換；最后隱層傳遞到輸出層各神經(jīng)元的信息經(jīng)近一步處理后由輸出層向外界輸出信息處理結(jié)果。圖3給出一個單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，它具有2個輸入，每個輸入都通過一個適當(dāng)?shù)臋?quán)值w和下一層相連，網(wǎng)絡(luò)輸出可以表示為式(1)，f是表示輸入／輸出關(guān)系的傳遞函數(shù)。
   

    在網(wǎng)絡(luò)中，隱含層的激勵函數(shù)選用S型函數(shù)，即：
   
    輸出層的激勵函數(shù)選用線性函數(shù)，即：
   
    式中：xi為節(jié)點(diǎn)接受的信息；wij為相關(guān)連接權(quán)重；y為節(jié)點(diǎn)輸出；θ為閾值；n為節(jié)點(diǎn)數(shù)。如上所述，建立一個三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，把實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的樣本數(shù)據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練后，再進(jìn)行交叉敏感的消除，從而達(dá)到數(shù)據(jù)融合的目的。
    由以上的討論可以看出，多維回歸算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法均能有效達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?。前者算法簡單，容易理解，但是?shù)據(jù)融合能力有限，補(bǔ)償程度不如后者；后者數(shù)據(jù)融合能力強(qiáng)，補(bǔ)償效果明顯，但是算法較難理解，軟件編程工作量大。在本設(shè)計(jì)中，多維回歸融合算法可以滿足要求，并且軟件編程工作量小，所以本文采用多維回歸算法補(bǔ)償溫度對壓力傳感器的影響。

3 智能壓力傳感器數(shù)據(jù)融合的應(yīng)用
3．1 溫度敏感元件的標(biāo)定
    對傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，標(biāo)定系統(tǒng)由YJF型浮球式標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)、HT-1714C直流穩(wěn)壓電源、34401 A型數(shù)字萬用表、奔騰4PC機(jī)和自制的控溫系統(tǒng)組成。在此分別對傳感器在27℃，37 ℃，47 ℃，57℃，67℃的溫度條件下做了靜態(tài)標(biāo)定，如表1所示。

3．2 結(jié)果和誤差分析
3．2．1 零位溫漂
    計(jì)算零位溫度系數(shù)α0，根據(jù)下式：
   
    式中：△t=t2-t1為工作溫度變化范圍；UFS為工作溫度為t1時，壓力傳感器滿量程輸出值；△U0m為在工作溫度變化△t時，壓力傳感器的零點(diǎn)漂移最大值。
    由表2可知，

    補(bǔ)償前：
   
3．2．2 靈敏度溫漂
    計(jì)算靈敏度溫度系數(shù)αs，根據(jù)下式：
   
    式中：t2，t1為工作溫度的上下限值；U(t2)，U(t1)為同一入壓力作用下工作溫度分別為t2，t1時，壓力傳感器的輸出值；壓力傳感器在壓力范圍0～0．6 MPa，溫度在27～67 ℃時，補(bǔ)償前后的壓力測試結(jié)果如表3所示。
    補(bǔ)償前：
   
    從以上計(jì)算所得的結(jié)果可以看出，補(bǔ)償結(jié)果都有提高，說明本文的設(shè)計(jì)方案是可行的。

3．2．3 誤差分析
    誤差來源主要有3個方面：
    (1)壓力實(shí)驗(yàn)時用浮球式壓力計(jì)存在壓力誤差，因?yàn)榧訅簳r要用肉眼觀察壓力基準(zhǔn)，由此產(chǎn)生誤差；
    (2)壓力、溫度結(jié)果計(jì)算擬合參數(shù)時有計(jì)算誤差，此誤差很??；
    (3)采集數(shù)據(jù)誤差，放大器對壓力傳感器輸出數(shù)據(jù)的放大和進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換都會產(chǎn)生誤差。
3．2．4 創(chuàng)新點(diǎn)
    (1)本文采用ADuC812單片機(jī)設(shè)計(jì)硬件電路，這種芯片內(nèi)不僅集成了可重新編程非易失性閃速／電擦除程序存儲器的高性能8位MCU，還包含了高性能的自校準(zhǔn)8通道ADC及2通道12位DAC，使硬件電路設(shè)計(jì)簡單，體積小，攜帶方便并減小誤差。
    (2)針對傳感器測量的溫度漂移和非線性等問題，提出了利用多傳感器信息融合技術(shù)，即曲面擬合法和曲線擬合法來加以解決，使算法簡單，數(shù)據(jù)融合能力強(qiáng)，補(bǔ)償效果明顯。

4 結(jié)語
    本文著重采用ADuC812單片機(jī)設(shè)計(jì)硬件電路，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，攜帶方便；通過多維回歸分析法消除多參數(shù)狀態(tài)下復(fù)合靈敏度對傳感器的影響，保證對特定參數(shù)測量的分辨能力，提高傳感器的精度。
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有精度高，功能強(qiáng)，體積小的特點(diǎn)，適合航空、海洋、化學(xué)等場所的應(yīng)用。