關(guān)于單片機技術(shù)在傳感器設(shè)計中的實踐策略探析

張毅

【摘要】? ? 單片機技術(shù)在接收和處理傳感器信號、提高傳感器穩(wěn)定性和抗干擾能力方面具有非常重要的應(yīng)用。傳感器的工作環(huán)境中存在多種干擾因素，并且其自身的結(jié)構(gòu)特點和工作原理也會增加不穩(wěn)定性。本文從技術(shù)層面研究了單片機的功能，并在其基礎(chǔ)上分析了其在傳感器設(shè)計中的應(yīng)用策略，著重探討了單片機技術(shù)在促進傳感器抗干擾性和信號穩(wěn)定性方面的作用。

【關(guān)鍵詞】? ? 單片機技術(shù)? ?傳感器設(shè)計? ? 實踐應(yīng)用

引言：

傳感器主要用于探測溫度、壓力、速度等各種類型的參數(shù)，并且現(xiàn)代化的傳感器在自動化水平、智能化水平方面都具有較高的水平。其在運行過程中要接受和處理大量的數(shù)據(jù)，但是在實際應(yīng)用中必須不斷提高其環(huán)境適應(yīng)性、信號輸出的穩(wěn)定性以及抗干擾能力。單片機可作為傳感器的信息處理核心，并且還能借助指令冗余、軟件“陷阱”等方法來提升傳感器的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

一、單片機概述

單片機在結(jié)構(gòu)上和一臺計算機非常相似，其設(shè)計目的就是實現(xiàn)微型計算機的功能，因而又被稱為微控制器。各種功能的載體是大型集成電路，在數(shù)據(jù)計算方面依靠CUP來完成，同時還具有存儲能力，其中ROM負(fù)責(zé)只讀存儲，RAM負(fù)責(zé)隨機存儲?，F(xiàn)階段，大量的儀器、儀表、電氣設(shè)備等都具有自動控制的功能，單片機在其中發(fā)揮著不可替代的作用。單片機的基本功能如下：

1.定時器。單片機的外部輸入的時鐘信號和機器周期要實現(xiàn)精準(zhǔn)的計數(shù)，這一功能依靠定時器來完成。單片機的定時器按照運行方式分為兩類，分別為固定時間間隔定時器和可編程定時器。前者的定時時間由系統(tǒng)控制，后者可由用戶的程序來控制。2. IO接口。微控制器用于處理機器設(shè)備或者儀器儀表的數(shù)據(jù)，那么就必須具有數(shù)據(jù)輸入和輸出的IO接口。接口的類型包括直接讀寫類的接口和純輸入、純輸出的接口。3.外部中斷。這一功能的主要作用包括數(shù)據(jù)解碼、外部觸發(fā)信號檢測、按鍵檢測以及系統(tǒng)喚醒，中斷方式包括電平觸發(fā)，上升沿觸發(fā)以及下降沿觸發(fā)。4.通訊接口。單片機的SPI接口可用于處理串行數(shù)據(jù)輸入和輸出、串行時鐘以及Ready信號。UTRA是單片機中用于處理異步數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌凇?. Watchdog（看門狗定時器）。其作用類似于一個計數(shù)器，在程序運行之前，給Watchdog一個數(shù)字，由其開始倒計時，CUP在程序運行正常的情況下發(fā)出看門狗復(fù)位的指令，如果程序運行異常，則強制其復(fù)位。

二、單片機技術(shù)在傳感器設(shè)計中的作用

2.1 提升傳感器的穩(wěn)定性

傳感器本身具有特定的功能，由于是電子設(shè)備，其各項功能的控制由信號輸入和輸出來實現(xiàn)，因此，信號的穩(wěn)定性對其功能可靠性具有關(guān)鍵性的作用。但是傳感器在長時間的運行過程中會產(chǎn)生信號輸出量不穩(wěn)定的現(xiàn)象，只要其變化量在合理的范圍之內(nèi)，即可認(rèn)為傳感器工作穩(wěn)定，否則，即判定為信號不穩(wěn)定。影響傳感器性能的指標(biāo)具有多樣性的特點，抗干擾能力決定其在復(fù)雜電磁環(huán)境下的運行效果，分辨力關(guān)系到傳感器的探測精度，靈敏度影響著傳感器的作用閾值，這幾項性能指標(biāo)均可借助程序優(yōu)化來加以提高，單片機對影響不大。只有穩(wěn)定性這一性能指標(biāo)和單片機的聯(lián)系非常緊密，單片機的作用是修正傳感器產(chǎn)生的非線性誤差。

圖1顯示了典型的壓力傳感器的工作模式，外界的壓力信號x從傳感器的接收端輸入其中，并且在傳感器中的A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換器的處理之下形成一個內(nèi)部信號y，該信號在通過接口電路之后會產(chǎn)生一個數(shù)字信號Y，單片機最終會接收這一信號，并將其處理成標(biāo)準(zhǔn)信號，用Ye來表示。在校準(zhǔn)傳感器的非線性誤差時，先選擇一個壓力點，確定相應(yīng)的溫度值，在此基礎(chǔ)上準(zhǔn)確地測量出信號量x和y的值，建立二者之間的對應(yīng)關(guān)系，修正方法為二元函數(shù)插值法。

修正過程的內(nèi)在原理可理解如下：首先明確涉及參數(shù)的含義x-原始壓力、X-x的數(shù)字量、θ-溫度的數(shù)字量、Y-修正之前的數(shù)字量。其中X、Y和θ之間的內(nèi)在關(guān)系可用特定的公式來表達，這些公式可存儲在單片機的底程序中，呈現(xiàn)方式為常數(shù)。也可采用表格的形式將其存儲于單片機的存儲器中。修正公式為Ye=kX，其中k為比例系數(shù)，X由數(shù)學(xué)公式計算得出，在此之前要先掌握公式中另外兩個數(shù)值，也就是Y和θ。

2.2 提升傳感器的抗干擾能力

2.2.1 干擾因素分析

第一，確定性干擾。各種傳感器的工作環(huán)境具有很大的差異性，有些會受到溫度的干擾，有些傳感器工作與室外環(huán)境，典型的如深基坑自動監(jiān)測的傳感器。這些客觀環(huán)境會在一定程度上干擾傳感器的正常運行，使其存在功能異常。另一方面，傳感器內(nèi)集成了較多的電子元器件，其采用集成電路系統(tǒng)來設(shè)計，在運行過程中難免會產(chǎn)生電磁不兼容和電磁干擾的問題。單片機技術(shù)對消除這些固定干擾因素具有非常重要的作用。

第二，隨機干擾因素。傳感器的工作環(huán)境特點具有確定型和不確定型兩種類型，例如，液位傳感器必然存在水的干擾，這一環(huán)境因素是確定的。但是在實際應(yīng)用過程中還會產(chǎn)生其他方面的環(huán)境干擾因素，如外力撞擊、灰塵侵入、電磁干擾等，而這些環(huán)境干擾因素是不確定的，具有顯著的隨機性。確定性干擾因素的預(yù)防和處理相對比較簡單，但是隨機性干擾因素的處理難度比較大，因為其發(fā)生條件、發(fā)生時間等都不易確定下來。消除這類隨機干擾因素可利用軟件技術(shù)，將其設(shè)置與單片機內(nèi)。

2.2.2 提高抗干擾能力的技術(shù)措施

1.消除確定性干擾的方法。由于傳感器類型眾多，因而其確定性干擾也各有差異，此處以電渦流位移傳感器為例，分析其確定性干擾的處理方法。這種傳感器用于檢測具有電磁特性的物體的位移情況，但是被檢測物體的電磁特點和材質(zhì)各不相同，相應(yīng)的檢測結(jié)果也會受到一定的干擾。另外，該傳感器中安裝有軸承，即使其位置沒有發(fā)生任何改變，但傳感器依然會輸出一定的電壓值，這是干擾其測量精度的主要因素之一，誤差有時候會非常大。這種干擾在某種程度上具有確定性的特點，因為軸承的位移具有穩(wěn)定的規(guī)律，軸承圍繞軸心做圓周運動，其運動方式呈現(xiàn)出周期性變化，以此為根據(jù)，利用單片機技術(shù)來周期性地調(diào)節(jié)和修正其輸出特性曲線，受測量物體的材質(zhì)差異和分布不均所產(chǎn)生的測量干擾在這種技術(shù)措施下都可實現(xiàn)有效地控制。

2.消除隨機性干擾的方法。1）指令冗余。單片機的CPU發(fā)送指令的過程為先取操作碼，然后根據(jù)操作碼獲取對應(yīng)操作數(shù)。但是單片機在運行過程中會受到隨機因素和確定性因素的干擾，并導(dǎo)致其程序無法正常執(zhí)行，程序跑飛的概率也會因此而大幅增加。由此引發(fā)的問題是單片機會錯誤地將操作數(shù)作為指令碼。為了有效防止這一問題，可在單片機中引入指令冗余的技術(shù)，具體方法是向其中插入單字節(jié)NOP指令，這種指令能夠但是單片機錯誤執(zhí)行操作數(shù)的情況，還有一種處理方法是重寫單字節(jié)指令。雙字節(jié)的操作指令和三字節(jié)的操作指令也會出現(xiàn)在單片機中，為了確保單字節(jié)指令預(yù)防錯誤執(zhí)行的效果，還要在雙字節(jié)和三字節(jié)指令中設(shè)置兩個字節(jié)以上的NOP指令。另外，RET、JC、LCALI等指令可影響系統(tǒng)流向，通常也要在這些指令后面插入NOP指令，通過以上技術(shù)措施，跑飛的程序可回到正軌。2）軟件“看門狗”技術(shù)。程序在跑飛之后容易進入“死循環(huán)”，而軟件“看門狗”技術(shù)可使其恢復(fù)到正常狀態(tài)，脫離“死循環(huán)”。程序正常運行時消耗的時間是一定的，偏差非常小，當(dāng)其運行時長超過這一范圍，則判斷其進入“死循環(huán)”。單片機的定時中斷功能可用于定期檢測主程序的運行狀態(tài)，軟件看門狗的寄存器可以起到記錄主程序運行情況的作用，正常運行一次加1，定時中斷時會檢測主程序運行狀態(tài)，檢測出現(xiàn)異常時會減1，當(dāng)系統(tǒng)程序陷入“死循環(huán)”時，寄存器數(shù)值變化非常大，這就是其判斷程序故障的依據(jù)。該技術(shù)可得應(yīng)用可顯著提高傳感器的抗干擾能力和可靠性。3）軟件陷阱法。單片機中設(shè)置有EPROM存儲芯片，即使在電力中斷的情況下，該芯片依然能夠保存數(shù)據(jù)。所謂軟件“陷阱”實際上是將NOP操作指令填入到該芯片的剩余空間內(nèi)，同時還要設(shè)置跳轉(zhuǎn)指令。受到干擾而跑飛的程序執(zhí)行到該區(qū)域之后可借助NOP指令和跳轉(zhuǎn)指令恢復(fù)正軌。當(dāng)該軟件的剩余空間比較充裕時，可加入多條NOP指令和跳轉(zhuǎn)指令，這樣做可進一步加強軟件“陷阱”的效果。

三、單片機技術(shù)在傳感器設(shè)計中的應(yīng)用趨勢

現(xiàn)代化的傳感器在功能、電路設(shè)計、信號輸入和輸出方面存在一定的差異性，由此帶來的問題是傳感器技術(shù)缺乏統(tǒng)一性和準(zhǔn)準(zhǔn)化，在具體的使用過程中也會因此而產(chǎn)生一定的管理難度。傳感器技術(shù)在未來的發(fā)展中要盡可能提高智能化、功能多樣性、可靠性以及維修管理的便捷性，統(tǒng)一技術(shù)指標(biāo)像是促進其發(fā)展的重要保障。集成電路技術(shù)發(fā)展速度非?？?，單片機的體積越來越小，而電路復(fù)雜性、功能多樣性在這一過程中不斷提升，并且借助單片機可進一步規(guī)范信號輸入和輸出。因此，傳感器的標(biāo)準(zhǔn)化制造和應(yīng)用在單片機技術(shù)的支持下得到了快速的發(fā)展，其功能需求如表1所示，從中可觀察到，信號存儲和處理、誤差校正、信號輸出等功能都會應(yīng)用到單片機技術(shù)。進入人工智能時代，傳感器的自動化、智能化要求進一步提升，單片機在集成電路技術(shù)的發(fā)展之下呈現(xiàn)出快速提高的趨勢，顯著地促進了先進傳感器的研發(fā)和制造。

四、結(jié)束語

傳感器在運行時受到環(huán)境、自身結(jié)構(gòu)特點以及電磁干擾等因素的影響，會出現(xiàn)信號不穩(wěn)定、程序跑飛等故障，有些干擾因素是固定的，大部分是隨機的。單片機可借助指令冗余、軟件“陷阱”、軟件“看門狗”等技術(shù)手段來提升傳感器的抗干擾能力和信號穩(wěn)定性，進而全面提升傳感器的可靠性。

參? 考? 文? 獻

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