CN102410849B - 一种可编程一体化传感器的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可编程一体化传感器的控制方法，其装置包括信号采集模块、处理器以及输出电路，其特征在于：传感器采用电子与机械一体化结构，信号采集模块设置有磁芯/磁铁和转轴，处理器设置有校准模式和运行模式，其使用方法是将机械总装为一体后一次性进行校准。其显著效果是：传感器校准过程采用一次性可编程校准，可以同时消除电路误差和机械加工误差，提高传感器精度，而且校准过程中采用点校准，只需要信号有一个递增或递减的趋势，对传感器信号的线性化要求不高，降低了生产成本，提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及到传感器技术，具体地说，是一种可编程一体化传感器的控制方法。
背景技术
随着电子技术的发展以及自动化程度的提高，传感器技术已经在越来越多的领域得到应用，其主要功能是将各种物理特性转为电学特性，从而实现各种参数的自动检测。现有传感器一般是以“电子元件”的形式出现，例如霍尔传感器。
这些传感器在生产过程中，往往因为材料、加工误差等因素导致检测值不够准确，在传感器出厂之前必须对传感器进行校准，通过校准，将传感器的输出曲线固定为常见类型，比如霍尔传感器，其校准结果为“使磁场强度与输出电压之间呈线性关系”、或者“使磁场角度与输出电压之间呈线性关系”。
当用户使用这些传感器时，还需要结合使用条件，在传感器上附加机械结构，例如转轴、磁铁等器件，才能使传感器投入工作。这些机械结构、器件都会引入新的物理变量，造成传感器在实际使用中存在“输出线性失调”问题，用户还需要对传感器作一次校准。
因此，现有技术的缺点在于，传感器需要进行两次校准，一次是出厂校准，一次是结合了机械结构和相关器件之后的用户校准。
综上所述，在传感器的生产、应用过程中，校准工作出现了冗余，不是最优的方案。另外，这些传感器还需要用户自行添加机械结构，使用不够直接、简便。
发明内容
本发明的目的是提出一种可编程一体化传感器，不仅包含了必要的机械结构：转轴、磁芯或磁铁，还将校准过程在传感器组装一体之后统一进行，而且是采用点校准，只需要采样点之间存在一个递增或递减的关系，对信号的线性化要求不高，可以一次性消除电路误差和机械误差，提高生产效率。
为达到上述目的，本发明所采用的方案如下：
一种可编程一体化传感器，包括信号采集模块、处理器以及输出电路，其关键在于：
所述信号采集模块设置有磁芯或磁铁，所述磁芯或磁铁固定在转轴上，通过转轴的旋转改变磁芯或磁铁的位置，从而改变信号采集模块输出的感应信号；
所述处理器设置有校准模式和运行模式两种工作模式，当工作在校准模式时，处理器根据转轴的旋转角度aN获取信号采集模块输出的感应信号，并作为感应信号序列AN保存在内存中，当工作在运行模式时，处理器根据感应信号输出相应的控制信号；
输出电路用于接收处理器输出的控制信号，并将该控制信号转换为传感器信号。
为了实现工作模式的切换，所述处理器的一个输入端与信号线连接，该信号线还与输出电路的输出端连接，当处理器工作在运行模式时，信号线用于输出传感器信号，当处理器需要切换工作模式时，信号线用于向处理器输入模式切换信号。
作为进一步描述，所述信号采集模块设置有磁芯和互感线圈，磁芯固定在转轴上，转轴通过连杆与浮子连接，利用浮子和连杆带动转轴转动，从而改变磁芯的位置，在互感线圈的初级线圈上加载交变电流，从而在互感线圈的次级线圈上生成所述感应信号。
作为另一种实现方式，所述信号采集模块设置有磁铁和霍尔元件，磁铁固定在转轴上，转轴通过连杆与浮子连接，利用浮子和连杆带动转轴转动，从而改变磁铁的位置，通过霍尔元件生成所述感应信号。
为了实现输出参数的转换，所述输出电路由电阻R16、电阻R17、电容C5以及三极管Q2组成，其中，电阻R16的一端作为该输出电路的输入端与所述处理器的输出端连接，该电阻R16的另一端与所述三极管Q2的基极连接，该三极管Q2的基极还经电容C5接地，该三极管Q2的发射极经电阻R17接地，该三极管Q2的集电极作为所述输出电路的输出端与信号线连接。
结合上述说明，本发明还提供了一种可编程一体化传感器的控制方法，具体控制步骤如下：
第一步：机械总装；
将所述信号采集模块、处理器以及输出电路封装在传感器壳体内，传感器的电源线、地线和信号线向壳体外引出，信号采集模块中的转轴伸出壳体；
第二步：校准；
通过电源线和地线提供电源输入，让处理器工作在校准模式下，其校准步骤如下：
(S21)调整信号采集模块中转轴的角度为aN；
(S22)通过触发信号通知处理器获取信号采集模块输出的感应信号A；
(S23)处理器将此时的感应信号A作为感应信号序列AN保存在内存中；
(S24)返回步骤S21循环进行，建立起a1→A1，a2→A2，…aN→AN的关系，直至所有角度校准完毕；
第三步：运行；
让处理器工作在运行模式，其工作步骤如下：
(S31)读取信号采集模块输出的感应信号A；
(S32)通过查表运算确定控制信号B；
(S33)输出控制信号B；
(S34)循环进行步骤S31到步骤S33，以保持动态连续输出。
作为进一步描述，在工作步骤S32中，所述查表运算的控制算法为：
如果A＝AN，则B＝BN；
如果AN＜A＜AN+1且BN＜BN+1则：B＝BN+[(A-AN)(BN+1-BN)/(AN+1-AN)]；
如果AN＜A＜AN+1且BN＞BN+1则：B＝BN-[(A-AN)(BN-BN+1)/(AN+1-AN)]；
如果AN＞A＞AN+1且BN＜BN+1则：B＝BN+[(AN-A)(BN+1-BN)/(AN-AN+1)]；
如果AN＞A＞AN+1且BN＞BN+1则：B＝BN-[(AN-A)(BN-BN+1)/(AN-AN+1)]；
处理器根据感应信号序列AN在内存中预设有“AN→BN数据表”，AN→BN和AN+1→BN+1为“AN→BN数据表”中相邻的两对数据。
在校准步骤S22中，所述触发信号为施加在处理器任一输入端的电平变化信号。
在校准步骤S22中，所述触发信号为处理器预存的一个延时参数T，该延时参数T与转轴角度调整的延时参数一致。
控制过程中，处理器工作模式的切换是通过信号线向处理器输入模式切换信号实现的。
本发明的显著效果是：电路结构简单，实现方便，传感器具有可编程性，而且是直接利用信号线作为编程线，不增加传感器的外部连线，提高了传感器的兼容性，利用传感器的可编程功能对传感器进行出厂校准，其校准过程采用一次性校准，可以同时消除电路误差和机械加工误差，提高传感器精度，而且校准过程中采用点校准，只需要信号有一个递增或递减的趋势，对传感器信号的线性化要求不高，降低了生产成本，提高了生产效率。
附图说明
图1是本发明的电路原理框图；
图2是图1中信号采集模块1的一种实施方式图；
图3是图1中信号采集模块1的另一种实施方式图；
图4是图1中输出电路3的电路原理图；
图5是本发明在校准模式下的控制流程图；
图6是本发明在运行模式下的控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步详细说明。
如图1所示，一种可编程一体化传感器，包括信号采集模块1、处理器2以及输出电路3。
所述信号采集模块1设置有磁芯或磁铁12，所述磁芯或磁铁12固定在转轴13上，通过转轴13的旋转改变磁芯或磁铁12的位置，从而改变信号采集模块1输出的感应信号A，该感应信号A只需呈现一种递增或递减的趋势即可，不用附加处理电路对感应信号A进行线性化处理既可直接传送给处理器2使用。
所述处理器2设置有校准模式和运行模式两种工作模式，当工作在校准模式时，处理器2根据转轴13的旋转角度aN获取信号采集模块1输出的感应信号A，并作为感应信号序列AN保存在内存中，当工作在运行模式时，处理器2根据感应信号A输出相应的控制信号B。
输出电路3用于接收处理器2输出的控制信号B，并将该控制信号B转换为传感器信号C。
为了实现工作模式的切换，所述处理器2的一个输入端与信号线S连接，该信号线S还与输出电路3的输出端连接，当处理器2工作在运行模式时，信号线S用于输出传感器信号C，当处理器2需要切换工作模式时，信号线S用于向处理器2输入模式切换信号U。
在本实施例中，不用改变传感器外部连接线，将传感器的信号线S作为模式切换信号U的输入线，通过信号线S上传的模式切换信号U来控制处理器2的工作模式，除本实施例外，也可以采用其他方式来改变处理器2的工作模式，例如增加控制线、复位或自动计数等方式。
如图2所示，信号采集模块1具有多种实现方式，以线圈变压式液位传感器为例，信号采集模块1设置有磁芯12和互感线圈11，磁芯12固定在转轴13上，转轴13通过连杆14与浮子15连接，利用浮子15和连杆14带动转轴13转动，从而改变磁芯12的位置，在互感线圈11的初级线圈Lx上加载交变电流，从而在互感线圈11的次级线圈Ly上生成所述感应信号A。
在工作状态下，浮子15漂浮在液面上，液位的高低决定着浮子15的位置，而浮子15的位置决定着转轴13的转动角度，转轴13的角度不一样，磁芯12在互感线圈11中的位置则不同，从而影响互感线圈11的互感系数，在初级线圈Lx上加载交变电流，通过检测次级线圈Ly上的感应信号即可判定互感线圈11的互感系数，从而推导出液面的高低。
如图3所示，作为另一种实现方式，信号采集模块1也可以采用霍尔式传感器，设置有磁铁12和霍尔元件16，磁铁12固定在转轴13上，转轴13通过连杆14与浮子15连接，利用浮子15和连杆14带动转轴13转动，从而改变磁铁12的位置，通过霍尔元件16生成感应信号A。
如图4所示，为了实现输出参数的转换，所述输出电路3由电阻R16、电阻R17、电容C5以及三极管Q2组成，其中，电阻R16的一端作为该输出电路3的输入端与所述处理器2的输出端连接，该电阻R16的另一端与所述三极管Q2的基极连接，该三极管Q2的基极还经电容C5接地，该三极管Q2的发射极经电阻R17接地，该三极管Q2的集电极作为所述输出电路3的输出端与信号线S连接。
输出电路3主要用于输出参数的转换，控制过程中，处理器2输出的控制信号B为PWM信号。通过设置二极管Q2可以将PWM信号转换为模拟电阻信号，便于外部仪表直接引用，二极管Q2可以是PNP管，也可以选用MOS管。
下面结合上述电路结构对本发明的控制方法作进一步描述：
第一步：机械总装；
将所述信号采集模块1、处理器2以及输出电路3封装在传感器壳体内，传感器的电源线V、地线G和信号线S向壳体外引出，信号采集模块1中的转轴13伸出壳体。
第二步：校准；
如图5所示，通过电源线V和地线G提供电源输入，通过信号线S向处理器2输入模式切换信号U让处理器2工作在校准模式下，其校准步骤如下：
(S21)调整信号采集模块1中转轴13的角度为aN；
(S22)通过触发信号通知处理器2获取信号采集模块1输出的感应信号A；
(S23)处理器2将此时的感应信号A作为感应信号序列AN保存在内存中；
(S24)返回步骤S21循环进行，建立起a1→A1，a2→A2，…aN→AN的关系，直至所有角度校准完毕。
校准模式主要用于消除传感器的电路误差和机械误差，这里以线圈变压式机油传感器为例，油位的高低影响的是转轴13的角度aN，校准过程中先将互感线圈11，磁芯12和转轴13组装成一体，依次调节转轴13的角度aN，在每个角度aN位置上处理器2可以获取一个感应信号A，组成感应信号序列AN，通过处理器2可以建立起感应信号A与控制信号B之间的关系，在处理器2的内存中设置一张“AN→BN数据表”，校准过程中转轴角度选取的步进与采样次数有个，采样次数根据传感器的检测精度确定，精度越高，采样次数越多。这里假设重复8次采样，假如处理器2的输出的控制信号B为PWM信号的占空比，则相应的“AN→BN数据表”设定如下：
| 序号 | aN | AN(V) | BN |
| 1 | 0° | ＜＝0.3V | 35％ |
| 2 | 30° | 0.45 | 40％ |
| 3 | 60° | 0.6 | 45％ |
| 4 | 90° | 0.75 | 50％ |
| 5 | 120° | 0.8 | 55％ |
| 6 | 160° | 0.95 | 60％ |
| 7 | 180° | 1.05 | 65％ |
| 8 | 210° | 1.2 | 70％ |
AN→BN数据表
第三步：运行；
如图6所示，通过信号线S向处理器2输入模式切换信号U让处理器2工作在运行模式，其工作步骤如下：
(S31)读取信号采集模块1输出的感应信号A；
(S32)通过查表运算确定控制信号B；
(S33)输出控制信号B；
(S34)循环进行步骤S31到步骤S33，以保持动态连续输出。
作为进一步描述，在工作步骤S32中，所述查表运算的控制算法为：
如果A＝AN，则B＝BN；
如果AN＜A＜AN+1且BN＜BN+1则：B＝BN+[(A-AN)(BN+1-BN)/(AN+1-AN)]；
如果AN＜A＜AN+1且BN＞BN+1则：B＝BN-[(A-AN)(BN-BN+1)/(AN+1-AN)]；
如果AN＞A＞AN+1且BN＜BN+1则：B＝BN+[(AN-A)(BN+1-BN)/(AN-AN+1)]；
如果AN＞A＞AN+1且BN＞BN+1则：B＝BN-[(AN-A)(BN-BN+1)/(AN-AN+1)]；
处理器(2)根据感应信号序列AN在内存中预设有“AN→BN数据表”AN→BN和AN+1→BN+1为“AN→BN数据表”中相邻的两对数据。
根据上表可以看出，在本实施例中，AN为一个单向递增信号，BN也为单向递增，如果A＝AN，则B＝BN，如果AN＜A＜AN+1，则：B＝BN+[(A-AN)(BN+1-BN)/(AN+1-AN)]。
查表运算属于相关技术人员的惯用手法，在此不再赘述。由于输出的参数B是可以通过处理器2编辑改变的，根据不同的应用场景可以编辑不同的输出参数，避免使用电路板进行转换，从而增加了传感器的兼容性，便于批量生产和广泛应用。
作为进一步描述，在校准步骤S22中，所述触发信号为施加在处理器2任一输入端的电平变化信号。施加触发信号，是为了通知处理器2，现在转轴13的机械位置调整到位，可以采集当前的感应信号A，否则，处理器2不知道当前位置是否正确。
所述触发信号为处理器2也可以是预存的一个延时参数T，该延时参数T与转轴13角度调整的延时参数一致。例如，处理器2在上电时开始计时，转轴13的角度调节装置也同时开始计时。之后，调节装置每隔1秒钟将转轴13调整到位、并等待0.5秒。而处理器2每隔1.25秒去读一次感应信号，并等待0.25秒。双方的周期都是1.5秒，可以保持同步。这样连续进行若干次，就完成校准，不需要外部电平触发即可自动完成。
终上所述，本发明的电路结构和控制步骤都比较简单，实施容易，降低了开发成本，提高了生产效率。
Claims (5)
1.一种可编程一体化传感器的控制方法，其特征在于按如下步骤进行：
第一步：机械总装；
将信号采集模块(1)、处理器(2)以及输出电路(3)封装在传感器壳体内，传感器的电源线(V)、地线(G)和信号线(S)向壳体外引出，信号采集模块(1)中的转轴(13)伸出壳体；
第二步：校准；
通过电源线(V)和地线(G)提供电源输入，让处理器(2)工作在校准模式下，其校准步骤如下：
(S21)调整信号采集模块(1)中转轴(13)的角度为aN；
(S22)通过触发信号通知处理器(2)获取信号采集模块(1)输出的感应信号A；
(S23)处理器(2)将此时的感应信号A作为感应信号序列AN保存在内存中；
(S24)返回步骤S21循环进行，建立起a1→A1，a2→A2，…aN→AN的关系，直至所有角度校准完毕；
第三步：运行；
让处理器(2)工作在运行模式，其工作步骤如下：
(S31)读取信号采集模块(1)输出的感应信号A；
(S32)通过查表运算确定控制信号B；
(S33)输出控制信号B；
(S34)循环进行步骤S31到步骤S33，以保持动态连续输出。
2.根据权利要求1所述的一种可编程一体化传感器的控制方法，其特征在于：在工作步骤S32中，所述查表运算的控制算法为：
如果A＝AN，则B＝BN；
如果AN＜A＜AN+1且BN＜BN+1则：B＝BN+[(A-AN)(BN+1-BN)/(AN+1-AN)]；
如果AN＜A＜AN+1且BN＞BN+1则：B＝BN-[(A-AN)(BN-BN+1)/(AN+1-AN)]；
如果AN＞A＞AN+1且BN＜BN+1则：B＝BN+[(AN-A)(BN+1-BN)/(AN-AN+1)]；
如果AN＞A＞AN+1且BN＞BN+1则：B＝BN-[(AN-A)(BN-BN+1)/(AN-AN+1)]；
处理器(2)根据感应信号序列AN在内存中预设有“AN→BN数据表”，AN→BN和AN+1→BN+1为“AN→BN数据表”中相邻的两对数据。
3.根据权利要求1所述的一种可编程一体化传感器的控制方法，其特征在于：在校准步骤S22中，所述触发信号为施加在处理器(2)任一输入端的电平变化信号。
4.根据权利要求1所述的一种可编程一体化传感器的控制方法，其特征在于：在校准步骤S22中，所述触发信号为处理器(2)预存的一个延时参数T，该延时参数T与转轴(13)角度调整的延时参数一致。
5.根据权利要求1所述的一种可编程一体化传感器的控制方法，其特征在于：处理器(2)工作模式的切换是通过信号线(S)向处理器(2)输入模式切换信号(U)实现的。
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