基于數(shù)據(jù)融合技術的智能壓力傳感器研究

摘要：隨著科學技術的發(fā)展，智能傳感器系統(tǒng)已成為計算機測控系統(tǒng)新的研究方向，而信息融合技術又為開發(fā)多功能傳感器系統(tǒng)開辟了途徑。在此采用ADuC812單片機設計硬件電路，實現(xiàn)信號處理，利用多維回歸分析法消除多參數(shù)狀態(tài)下復合靈敏度的影響，提高傳感器的精度，并通過MAX232收發(fā)器實現(xiàn)PC機與傳感器測量系統(tǒng)之間的通信，完成數(shù)據(jù)轉換、數(shù)據(jù)處理和打印等功能，使測量系統(tǒng)更加完善。實驗結果表明，該系統(tǒng)具有體積小，攜帶方便，精度高和功能強的特點，適合航空、宇航、海洋和化學等場所的應用。
關鍵詞：智能壓力傳感器；信息融合技術；多維回歸分析法；BP神經網絡法

0 引言
    隨著高性能計算機測控系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)傳感器已不再與其測控系統(tǒng)相適應?？刂葡到y(tǒng)要求傳感器具備較強的信息處理和自我管理能力，以實現(xiàn)信息的采集與信息的預處理，減輕控制計算機的數(shù)據(jù)處理負擔和提高整個測控系統(tǒng)的可靠性。然而計算機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)的結構。智能傳感器系統(tǒng)就是為了更好地適應計算機測控系統(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合靈敏度。當傳感器存在復合靈敏度時，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參量的場合，為提高被測目標參量的測量精度，把其他參量當作干擾量，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應用和數(shù)據(jù)融合技術的研究。

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

    (1)傳感器輸出信號的預處理部分。主要由信號調理電路組成，包括對靜壓和溫度傳感器的恒壓源電路的設計，以及對傳感器輸出信號進行濾波放大。
    (2)信號分析處理部分，將模擬信號轉換為數(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單片機設計硬件電路，結構簡單，體積小，其功能方框圖如圖2所示。由圖2可知ADuC812單片機與其他單片機不同的特點：芯片內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，它包含了片內閃速存儲器技術，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擴展提供了32條可編程的I／O線、IZC兼容的SPI和標準UART串行端口。

    在本文中，將ADuC812單片機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，進行電平轉換，實現(xiàn)和PC機的通信。本設計采用外部時鐘產生方式．晶體頻率為11．059 2 MHz，采用內部基準，在7引腳(CRER)與AGND之間連接0．1μF的電容。電源復位電路采用MAX708芯片進行復位。硬件設計中最大的亮點是硬件電路簡潔，ADuC812單片機不用外接A／D和D／A轉換器，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，調試簡單。

2 多傳感器數(shù)據(jù)融合算法的選擇
    目前應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神經網絡法。
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參量與傳感器輸出量之問的對應關系。與經典傳感器一維實驗標定／校準不同的足要進行多維標定／校準實驗，通過最小二乘法原理由實驗標定／校準數(shù)據(jù)計算出回歸方程中的系數(shù)。這樣，當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算出相應的輸入被測目標參數(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(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。當采集到二個傳感器的輸出值U及Ut時，代入式中就可以計算得到傳感器的被測參量P’。
2．2 BP神經網絡法
    神經元之間的連接方式不同，網絡的拓撲結構也不同。根據(jù)神經元之間的連接方式，可將神經網絡結構分為2大類，層次型結構和互聯(lián)型結構。層次型結構的神經網絡將神經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。輸入層各神經元負責接受來自外界的輸入信息，并傳遞給中間各隱層神經元；隱層是神經網絡的內部信息處理層，負責信息變換；最后隱層傳遞到輸出層各神經元的信息經近一步處理后由輸出層向外界輸出信息處理結果。圖3給出一個單隱層BP神經網絡模型，它具有2個輸入，每個輸入都通過一個適當?shù)臋嘀祑和下一層相連，網絡輸出可以表示為式(1)，f是表示輸入／輸出關系的傳遞函數(shù)。
   

    在網絡中，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)點接受的信息；wij為相關連接權重；y為節(jié)點輸出；θ為閾值；n為節(jié)點數(shù)。如上所述，建立一個三層BP神經網絡模型，把實驗標定的樣本數(shù)據(jù)輸入網絡進行學習訓練后，再進行交叉敏感的消除，從而達到數(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神經網絡算法均能有效達到溫度補償?shù)男Ч?。前者算法簡單，容易理解，但是?shù)據(jù)融合能力有限，補償程度不如后者；后者數(shù)據(jù)融合能力強，補償效果明顯，但是算法較難理解，軟件編程工作量大。在本設計中，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)融合的應用
3．1 溫度敏感元件的標定
    對傳感器進行靜態(tài)標定，標定系統(tǒng)由YJF型浮球式標準壓力計、HT-1714C直流穩(wěn)壓電源、34401 A型數(shù)字萬用表、奔騰4PC機和自制的控溫系統(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)標定，如表1所示。

3．2 結果和誤差分析
3．2．1 零位溫漂
    計算零位溫度系數(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，壓力傳感器的零點漂移最大值。
    由表2可知，

    補償前：
   
3．2．2 靈敏度溫漂
    計算靈敏度溫度系數(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，補償前后的壓力測試結果如表3所示。
    補償前：
   
    從以上計算所得的結果可以看出，補償結果都有提高，說明本文的設計方案是可行的。

3．2．3 誤差分析
    誤差來源主要有3個方面：
    (1)壓力實驗時用浮球式壓力計存在壓力誤差，因為加壓時要用肉眼觀察壓力基準，由此產生誤差；
    (2)壓力、溫度結果計算擬合參數(shù)時有計算誤差，此誤差很?。?br />     (3)采集數(shù)據(jù)誤差，放大器對壓力傳感器輸出數(shù)據(jù)的放大和進行A／D轉換都會產生誤差。
3．2．4 創(chuàng)新點
    (1)本文采用ADuC812單片機設計硬件電路，這種芯片內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8通道ADC及2通道12位DAC，使硬件電路設計簡單，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，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，補償效果明顯。

4 結語
    本文著重采用ADuC812單片機設計硬件電路，結構簡單，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。
    實驗結果表明，該系統(tǒng)具有精度高，功能強，體積小的特點，適合航空、海洋、化學等場所的應用。