摘要：本文介紹了一種由單片機8031開發(fā)的智能型壓力變送器的電路結(jié)構(gòu)、理論基礎(chǔ)，硬、軟件的設(shè)計重點闡述了二傳感器的信息融合技術(shù)及應(yīng)用。 關(guān)鍵字：變送器；信息融合；控制 1 引言 近年來，傳統(tǒng)意義下的傳感器以其本身的特點在控制領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。但隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，要求儀器儀表能自動實現(xiàn)多種功能，而且總線控制要求傳統(tǒng)傳感器具有自校正、自診斷、自補償功能。這樣，應(yīng)用單片機對傳統(tǒng)的傳感器進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，便可以達(dá)到上述要求。對于變送器，也就是使得傳感器的輸出信號標(biāo)準(zhǔn)化，國際上通用標(biāo)準(zhǔn)為電流4～20 mA輸出。本課題在變送器的基礎(chǔ)上，應(yīng)用單片機對其進(jìn)行控制，便能達(dá)到自校正、自診斷、自補償?shù)哪芰?。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，傳感器特別是壓力傳感器和溫度傳感器的精度已經(jīng)趨于穩(wěn)定。目前發(fā)展較快的總 線技術(shù)本質(zhì)上也要求變送器（或傳感器）具有良好的可靠性和更高的精度。國外的一些公司（如HONEYWELL、ROSEMOUNT等）已推出智能型變送器，而我國在這方面基本上屬于空白，所需產(chǎn)品必須進(jìn)El，因此自行研制智能型變送器具有重要的理論和實際意義。 2 理論基礎(chǔ) 本課題的采樣由差壓傳感器和溫度傳感器完成。通常傳感器存在交叉靈敏度[sup][1] [/sup]，表現(xiàn)在傳感器的輸出值不單決定于一個參量，當(dāng)其他參量變化時，輸出值也要發(fā)生變化。例如一個壓力（差）傳感器，當(dāng)壓力（差）參量恒定而溫度或靜壓參量變化時，其輸出值也發(fā)生改變，那么這個壓力（差）傳感器就存在有對溫度或?qū)o壓參量的交叉靈敏度。存在交叉靈敏度的傳感器，其性能不穩(wěn)定，測量精度低。多傳感器的信息融合技術(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達(dá)到提高每一個參量測量精度的目的。本文僅討論二傳感器信息融合原理。 二傳感器可測量兩個參量，得到兩個參量的信息。兩個信息的融合算法可以有多種，曲面擬合算法是基本之一，也就是二維回歸分析法。下面討論曲面擬合法基本原理。 已知壓力傳感器輸出值電壓U[sub]p[/sub] ，且存在溫度靈敏度。因此只對壓力傳感器進(jìn)行一維標(biāo)定實驗。若由獲得的輸入（壓力P）輸出（電壓U[sub]p[/sub] ）特性曲線來求取被測壓力值會有較大誤差（因為被測量P不是輸出值U[sub]p[/sub] 的一元函數(shù)）。而另一溫度傳感器輸出電壓U[sub]t[/sub]代表溫度信息t；則壓力參量P可用U[sub]p[/sub]及U[sub]t[/sub]二元函數(shù)來表示才較完備，即 同理，我們也可以將壓力傳感器輸出電壓U[sub]p[/sub]描述為壓力參量P和溫度傳感器輸出U[sub]t[/sub]的二元函數(shù)，即 此時可利用二次曲面擬合方程，即二維回歸方程來描述： 如果式（1）和（2）中的各個常系數(shù)已知，那么用于檢測P和輸出U[sub]p[/sub]的二元輸入輸出特性即曲面擬合方程（1）及（2）式就確定了。當(dāng)采集到二傳感器的輸出值U[sub]p[/sub]及U[sub]t[/sub]時，代入式（1）中就可以計算得到傳感器的被測參量P。為此，首先要進(jìn)行二維標(biāo)定實驗，然后根據(jù)標(biāo)定的輸入、輸出值由最小二乘法原理確定常系數(shù)。 （1）實驗標(biāo)定 在壓力傳感器的量程范圍內(nèi)確定 個壓力標(biāo)定點（設(shè) 一6），在工作溫度范圍內(nèi)確定m個溫度標(biāo)度點（設(shè)m=5）。于是由壓力P和溫度t標(biāo)準(zhǔn)值發(fā)生器產(chǎn)生在各個標(biāo)定點的標(biāo)準(zhǔn)輸入值為： 對應(yīng)于上述各個標(biāo)定點的標(biāo)準(zhǔn)輸入值讀取相應(yīng)的輸出值這樣，我們在m個不同溫度狀態(tài)對壓力傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，獲得了對應(yīng)個不同溫度狀態(tài)的 條輸入輸出特性，即P—u，特性簇，如圖1（a）所示。同樣我們也可獲得對應(yīng)于不同壓力狀態(tài)的溫度傳感器的n條輸入輸出特性（t～U[sub]t[/sub] ），即t—U[sub]t[/sub] 特性簇，如圖1（b）所示。 （2）二次曲面擬合方程待定常數(shù)的確定 為確定式（1）和（2）所表征的二次曲面擬合方程式的常系數(shù)，通常根據(jù)最小二乘法原理，求得的系數(shù)滿足均方誤差最小條件。智能型壓力變送器數(shù)據(jù)融合技術(shù)中的系數(shù)a?！玜[sub]t[/sub]由單片機控制輸出。 3 硬件設(shè)計[sup][3][/sup] 智能型壓力變送器由壓力、靜壓和溫度傳感器組成前端電路；經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)與A／D轉(zhuǎn)換開關(guān)相連；采用8o31單片機，它有16位高速微控制器，運算功能強，接口簡單等優(yōu)點；外部接有F，PROM和RAM 存儲空間、鎖存器及顯示器和打印機。單片機對信號進(jìn)行處理，然后送入D／A轉(zhuǎn)換器，并經(jīng)過V／I轉(zhuǎn)換電路輸出標(biāo)準(zhǔn)電流。系統(tǒng) 硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖2所示。 4 軟件設(shè)計 本系統(tǒng)開發(fā)3個軟件：其中主程序用來控制整個系統(tǒng)的工作｛數(shù)據(jù)融合技術(shù)流程圖用來確定常系數(shù)等及運算輸出｛第三個軟件系統(tǒng)是智能型變送器非線性校正（標(biāo)度變換）子程序。 5 測試結(jié)果 經(jīng)模擬實驗及智能型變送器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的軟件處理，得出實驗標(biāo)定數(shù)如表1所示。 由表1可見：壓力輸出信號UP隨工作溫度的升高而減小，在工作溫度一10℃至50℃范圍內(nèi)，在壓力值為2500 Pa輸入時，輸出值隨溫度變化的最大改變量為△U[sub]max [/sub]。 故得a[sub]t[/sub]=23．6／60×118．5=3．3×10 ／℃由此可見，當(dāng)溫度改變1℃時，傳感器的壓力輸出值改變有所改善。 （2）計算壓力傳感器的零位溫度系數(shù) ，根據(jù)定義： 由此可見，當(dāng)溫度改變I℃時，壓力傳感器的漂移量很小。 6 結(jié)柬語 綜上所述．智能壓力變送器雖然采用傳感器采樣信號，由于采用多傳感器的融合技術(shù)和單片機的控制和處理，使得傳感器的交叉靈敏度非常小，自行研制的智能型壓力變送器的測量精度較高，基本上符合該儀器的主要性能指標(biāo)，性能穩(wěn)定，運行可靠，其在石油、化工冶金、電力、輕工等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。 [參考文獻(xiàn)] [1]第四屆全國敏感文件與傳感器學(xué)術(shù)會垃論文集1995，5．39—41． [2]劑君華等，智能傳感器系統(tǒng)[M]．酉電版，1999． [3]儀器儀表學(xué)報．1997．（5）．202 503． 智能型壓力變送器的研究：PDF