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1、一种网络化智能压力传感器及其补偿算法卑 申飞吴仲城沈春山 中国科学院合肥智能机械研究所仿生感知与控制研究中心 合肥2 3 0 0 3 1 摘要：网络化传感器是传感器技术发展的一个新方向，本文提出了一种以M S C l 2 1 0 微处理器为核 心的网络化智能压力传感器，介绍了其工作原理，给出了实际应用中的网络拓扑结构，并且详细阐述了 传感器零点及灵敏度的补偿方法 关键：词海网络化智能压力传感器M S C l 2 1 0 单片机零点补偿灵敏度补偿 1 引言 计算机技术、通信技术与传感器技术结合构成的网络化智能传感技术，为传感器技术的发展开辟了一个 新方向。目前国内外对网络化智能传感器尚无统一的定
2、义，但一般认为，网络化智能传感器即在智能传感技 术上融合通信技术和计算机技术，使传感器具备自检、自校、自诊断及网络通信功能，从而实现信息的采集、 传输和处理真正统一协调的种新型智能传感器。本文介绍了中国科学院合肥智能机械研究所开发的一种以 M S C l 2 1 0 微处理器作为测量、信号处理以及通信核心的网络化智能压力传感器，可以广泛应用于工业、自 动控制、汽车、环境监测、医疗卫生、军事科研、家用电器等领域。网络化智能压力传感器是将压力传感器、 信号调理器、微处理器和网络接口电路等集成在一起，能够实现压力检测、信息处理、信息存储和信息输出 的新一代压力传感器，具有集成化、智能化、高精度、高可
3、靠性等特点。 2 网络化智能压力传感器的硬件设计 2 1 工作原理 基于M S C l 2 1 0 的网络化智能压力传感器的工作原理如图l 所示。主要包括：压力传感器、温度传感器、M S C l 2 1 0 微处理器、R S 2 3 2 R S 4 8 5 串行接口以及电源等。M S C l 2 1 0 是美国德州仪器公司( 1 E X A SN S T R I J M 正N r s ) 推出的 一种功能很强带2 4 位A D 转换器的微处理器，特别适合测量微弱信号。压力传感器用来检测无腐蚀性气体或 液体的压力，温度传感器获取温度信息，以对压力传感器进行温度补偿，微处理器M S C l 2 1
4、 0 对压力传感器和 温度传感器采集的信息进行A D 转换，采样速率可以选择，经过温度补偿和校准后的压力信息通过R S 2 3 2 f f l 行接1 ：3 发送至主控计算机或其他节点，通信速率可以选择，最高可达2 8 8 0 0 b s ，上电后默认的波特率为 9 6 0 0 b s 。 图卜网络化智能压力传感器的工作原理图 + 本研究得到国家自然基金( N o 6 0 4 7 5 0 0 5 和N o 6 0 3 7 5 0 2 7 ) 和安徽省自然基金N o 0 5 0 4 2 0 3 0 6 的支持 2 2 网络结构 网络化智能压力传感器能够实现网络通信协议，它与网络上的其他节点( 传
5、感器、执行器等) 构成一个 分布式智能传感器网络系统。在该网络中，传感器成为个可存取的节点，每个节点在构成网络时能确定每 个传感器的组地址和设备识别号I D 地址，能实现多个传感器之间、传感器与系统之间的数据交换和资源共 享，用户可通过网络获取任何一个传感器的数据并对该传感器的参数进行设置，所设定的参数保存在F L A S H 中。 图2 是具有6 个智能压力传感器节点的R S 2 3 2 4 8 5 环形网络，环形网络的起点和终点都在主控计算机的 T X D 、R X D 和G N D 接口引线上。在网络中，各个智能压力传感器节点的l D 地址是从主控计算机接口开始 按照环形顺序排列的，从0
6、 1 开始，到0 6 终止。 图2 具有6 个节点的R S 2 3 2 环形网络 3 网络化智能压力传感器的补偿算法 温度是传感器系统最主要的干扰量。在经典传感器中主要采用结构对称( 机械结构对称、电路结构对称) 来消除其影响，在智能传感器的初级形式中主要采用以硬件电路实现的“拼凑”补偿技术，但是补偿效果仍 不能满足实际测量的要求。在传感器与微处理器相结合的智能传感器系统中，则采用监测补偿法，通过对干 扰量的监测由软件来实现补偿。针对基于M S C l 2 1 0 的网络化智能压力传感器，我们在取得实验数据的基础 上提出了种新的通过软件进行补偿的算法。 3 1 灵敏度的温度补偿 由于在全温范围
7、内拟合比例系数K 与温度r 的误差较大，故采用温区分段的最小二乘法多项式的拟合 方法。设在某一温度范围内，K 与r 的关系为： K = ( a I T - I - a o ) ( 1 ) 式中，灵敏度系数a t 和a o 随着温度区间的不同而不同。这样式( 1 ) 就可以修正为：F = ( 口1 T - I - a o ) R + 6 由于b 的影响较小，可以在全温区范围内拟合，从而上式可写为： F = 瓴T - I - a o ) R + “T - 4 - C o ) ( 2 ) 式中测试得到：q = - - 3 5 0 8 0 3 3 7 4 8 2 9 4 4 2 e 0 0 5 ，气“
8、 - - 2 4 5 8 8 9 1 6 4 3 5 4 6 6 6 。 3 2 零点的温度变化补偿。 设理想情况下，零点与温度之间的关系为：z e r o = 6 1 T + b o ，同样采用温度区间分段的拟合方法，得到 如下的一组零点拟合系数6 1 和6 0 ，则由式( 2 ) 可以得到下式： F = ( 口l T + a o ) ( R - ( 6 l T + 6 0 ) ) + ( c l T + c j ) ( 3 ) 3 3 零点的结构参数变化补偿 由于敏感材料的耗损等许多其它的不确定因素会导致传感器在使用过程中零点会发生漂移，这种漂移 ( 有点称之为时漂) 一般没有一定的规律，
9、较难解决，通常采用强制清零的方法来予以补偿。但是，在实际 使用过程中。我们发现这种时漂并不会对传感器的“理想”状态下的零点与温度的关系曲线产生多大的影响， 6 1 0 只是让曲线发生了一定程度上的平移，如果能消除这种平移，也就实现了零点的结构参数变化补偿。假设以 上成立，这种平移的度可以通过以下方法得到：用传感器当前的零何值减去理想状态下的零位值。 例如，当前的零位值为z e r o 温度为T z e r o 对麻的温度区间的零点温度拟合系数为如一z e r o 和 厶z e r o 。显然，z e r o 一 z e r o Tz e r o + 瓦z e r o ) 就是描述这种平移的度，
10、理想的零点温度曲线加上这 个度基本上就是当前的零点温度曲线。如果我们发现发生了时漂，就可以通过向传感器发送指令的方式告知 传感器进行上述操作。 3 4 综合补偿计算公式 综合以上针对传感器的灵敏度、零点补偿方法，可以得到传感器的综合补偿计算公式： F = ( q T + a o ) ( R - ( 6 l T + ) - f ( z e r o , T z e r o ，6 l z e r o ，6 0 z e r o ) ) + ( c l r + c j ) ( 4 ) 其中：F 为施加给传感器的力信息，R 为传感器的读数，丁为工作环境的温度； C l I ，6 1 0 ，6 1 ，b o
11、 ，C l ，C o 为系数，根据T 的不同而不同； f ( z e r o ，T z e r o , l q z e r o , 一z e r o ) = z e r o - 一z e r o T z e r o + b o z e r o ) ，z e r o 为接受清零命令时传感器 的零点输出，Tz e r o 为其时的工作温度，b lz e r o 和玩z e r o 分别为对应Tz e r o 的拟合系数： ( 6 1 r + 6 0 ) + f ( z e r o ，T z e r o ，6 l z e r o ，6 0 z e r o ) 是对由于结构参数变化而引起的零点漂移的一
12、种补偿， 其中6 1 T + 6 0 就是传感器理想情况下的零点与温度关系。 4 结束语 本文以M S C l 2 1 0 微处理器为核心实现一种网络化智能压力传感器的设计，其可应用于一些对压力检测 要求教高的场合，传感器内部同时集成温度传感器，以实现对传感器温度补偿。目前传感器可实现自配置、 识别和关键参数在线修改等功能，基本满足实际的应用要求。本设计提供的网络化压力传感器可广泛应用于 工业、环境监测、自动控制、医疗设备等领域。文章提出的补偿算法在实际应用中取得了较好的效果。 参考文献 1 沙占友主编集成化智能传感器原理与应用电子工业出版社，2 0 0 4 年，p p 1 5 8 1 6 9
13、 2 申飞、沈春山、吴仲城基于M S C l 2 1 0 的网络化智能压力传感器的设计2 0 0 4 中国传感技术数字化应用论坛论文集，2 0 0 4 年9 月，北京， p p 5 2 5 4 3 刘桂雄、申柏华等迅速崛起的网络化智能传感技术传感器技术，2 0 0 2 年第2 l 卷第9 期，P P 4 7 4 胡永建、王晓梅基于M S C l 2 1 0 的多路高精度温度采集系统模块电子技术应用，2 0 0 3 ，7 ，P P 3 6 - 3 9 5 沈春山硕士论文中国科学院合肥智能机械研究所，2 0 0 5 年6 月 6 黄晓因、段美英、鲁绍坤、周宏硅压阻式压力传感器时漂研究电子器件，2 0 0 5V 0 1 2 8N o I ，p p 5 9 6 2 7 曲国裉压阻式压力传感器的在线综合补偿传感器技术，2 0 0 3V o ! 2 2N o 8 ，P P 4 5 - 4 6 6 1l
