無(wú)線水位檢測(cè)系統(tǒng)與壓力傳感器補(bǔ)償方法的研究

郭鳳儀，徐維澤，段景春，王志勇,張鳳龍，孫樂(lè)，郭博

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧葫蘆島125105；2.赤峰學(xué)院環(huán)境資源系，內(nèi)蒙古赤峰024000)

近年來(lái)，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(chē)駛?cè)胍约肮ぷ魅藛T長(zhǎng)期駐留的情況，提出了無(wú)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(lái)傳感器的整體溫漂，這就需要有一套行之有效的方法來(lái)解決壓力傳感器自身易受溫度影響所帶來(lái)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(wú)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(kāi)始信號(hào)，通過(guò)無(wú)線電臺(tái)傳遞給從機(jī)，從機(jī)接到信號(hào)后，開(kāi)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(mén)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(yǔ)言和匯編語(yǔ)言[3]。

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

系統(tǒng)中單片機(jī)、運(yùn)算放大器等芯片的工作電壓為直流5 V和15 V，液位變送器和AD574的電源電壓為直流24 V和15 V，所以必須提供不同電壓等級(jí)的直流工作電源。

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(wú)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(wú)線射頻技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)和語(yǔ)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[4，5]。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(pán)模塊和顯示模塊

通過(guò)鍵盤(pán)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(wú)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(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。軟件的各個(gè)功能模塊之間通過(guò)入口和出口參數(shù)相互聯(lián)系，可以縮短開(kāi)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[1，2]。隨著微處理器技術(shù)在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用,使得通過(guò)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)。

設(shè)函數(shù)在區(qū)間[a，b]上n+1個(gè)互異節(jié)點(diǎn)x0，x1…xn上的函數(shù)值分別為y0，y1…yn，求n次插值多項(xiàng)式pn(x)，滿足條件:

其中l(wèi)0(x)，l1(x)…ln(x)為以x0，x1…xn為節(jié)點(diǎn)的n次插值基函數(shù)，則Ln(x)是一個(gè)次數(shù)不超過(guò)n的多項(xiàng)式，且滿足:

再由插值多項(xiàng)式的唯一性，得:

表示的插值多項(xiàng)式稱(chēng)為拉格朗日插值多項(xiàng)式。

插值多項(xiàng)式的余項(xiàng)Rn(x)=fn(x)-ln(x)，也就是插值的截?cái)嗾`差或方法誤差，則插值多項(xiàng)式Ln(x)的余項(xiàng)為:

其中ξ=ξ(x)∈(a，b)

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(jiàn)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)。

表1 壓強(qiáng)與電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

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(kāi)發(fā)環(huán)境，類(lèi)似于C和BASIC。但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是:其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而Lab-VIEW使用圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)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(xiě)，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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(wú)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(wèn)題的解決方案

根據(jù)以上問(wèn)題提出了如下解決方案:

(1)針對(duì)電路接觸不可靠的問(wèn)題，采用PCB板代替銅模實(shí)驗(yàn)板，并在PCB制板過(guò)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(kāi)布線；合理配置去耦電容；電路板進(jìn)行覆銅等[6]。

(2)針對(duì)微處理器死機(jī)、復(fù)位等問(wèn)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[7]。

(3)針對(duì)不潔凈電源以及電源間的互相干擾，采用開(kāi)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(méi)有出現(xiàn)任何故障現(xiàn)象。通過(guò)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(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有一定的借鑒價(jià)值。

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