CN112212908B

CN112212908B - 一种智能传感器及其智能化方法

Info

Publication number: CN112212908B
Application number: CN202011078581.2A
Authority: CN
Inventors: 袁梅; 董韶鹏; 陈林; 梅帅杰; 孔繁星; 童成彬
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2020-10-10
Filing date: 2020-10-10
Publication date: 2022-04-26
Anticipated expiration: 2040-10-10
Also published as: CN112212908A

Abstract

本发明公开了一种智能传感器及其智能化方法，该智能传感器包括：传感器模块、电路开关模块、信号调理模块和处理器，其中，所述传感器模块通过所述电路开关模块与所述信号调理模块断开或连接，所述处理器与所述信号调理模块和所述电路开关模块连接；所述传感器模块用于采集被测量的数据；所述信号调理模块用于接收所述传感器模块采集的数据并处理、发送给所述处理器；所述处理器用于处理所述信号调理模块处理后的数据，以及向所述电路开关模块发送控制指令；所述电路开关模块用于接收所述处理器的控制指令连接或断开所述传感器模块和所述信号调理模块。本发明通过处理器与基本传感器的联合使用，赋予了传感器智能化的能力，实现智能化功能。

Description

一种智能传感器及其智能化方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种智能传感器及其智能化方法。

背景技术

随着智能化时代的不断推进、深入，普通的传感器已经不能适应目前各领域智能化的要求，特别是航空航天领域。航空航天领域是我国乃至全世界的重点研发领域。而由于航空航天领域对传感器的可靠性、稳定性和精度的需求非常高，因此智能传感器的开发成为了一种必要。

目前的传感器主要有以下几个方面的缺点：

1、当传感器故障时，只能通过万用表或其他检测设备对传感器进行检测才能够判断故障发生的位置，工作量较大，对传感器的使用及其不方便。

2、当传统的传感器使用时间较长时，一般会出现零点漂移和温度漂移，此时需要重新进行传感器标定，调整传感器的参数，进而能够进行工作，工作量较大，对传感器的使用及其不方便。

3、传统传感器在使用时，需要手动输入各种传感器参数，使得传感器的使用非常繁琐。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种智能传感器及其智能化方法。

第一方面，本发明提供了一种智能传感器，该智能传感器包括：传感器模块、电路开关模块、信号调理模块和处理器，其中，所述传感器模块通过所述电路开关模块与所述信号调理模块断开或连接，所述处理器与所述信号调理模块和所述电路开关模块连接；

所述传感器模块用于采集被测量的数据，将采集的数据发送至所述信号调理模块；所述信号调理模块用于处理所述传感器模块采集的数据，并将处理后的数据发送给所述处理器；所述处理器用于处理所述信号调理模块处理后的数据，以及向所述电路开关模块发送控制指令；所述电路开关模块用于根据所述控制指令连接或断开所述传感器模块和所述信号调理模块。

可选地，该智能传感器还包括：通过所述电路开关模块与所述信号调理模块断开或连接的校准模块，用于在所述信号调理模块与所述校准模块连接时提供基准参数；

所述处理器还用于接收所述信号调理模块处理后的基准参数并根据所述基准参数计算调整参数；

所述电路开关模块还用于接收所述处理器的控制指令连接或断开所述校准模块和所述信号调理模块。

可选地，该智能传感器还包括：参考电压模块、至少两个降压模块和至少三个分压模块，其中，

第一降压模块分别与外界电源、参考电压模块、第一分压模块和第二降压模块连接；所述第二降压模块还与第二分压模块和处理器连接；所述参考电压模块还与第三分压模块连接；所述第一分压模块、所述第二分压模块和所述第三分压模块分别与所述处理器连接。

可选地，该智能传感器还包括：过流过压保护模块，所述第一降压模块通过所述过流过压保护模块与所述外界电源连接。

可选地，所述处理器还用于采集所述智能传感器的工作数据，以及判断检测所述传感器模块采集的数据是否异常，以及判断所述工作数据是否异常，并在异常时发出反馈信息；其中，所述传感器模块采集的数据异常至少包括：在所述传感器模块和所述信号调理模块连接时，所述传感器模块未采集数据或采集的数据超出量程；所述工作数据的异常至少包括：噪声毛刺异常和电压跳变异常。

可选地，所述处理器还用于检测所述信号调理模块的工作状态，判断所述信号调理模块是否正常工作。

可选地，该智能传感器还包括：与所述处理器连接的通信模块，用于实现所述处理器与外部上位机之间的数据交互。

可选地，所述处理器包括具有掉电保护功能的数据存储单元，用于存储所述智能传感器的工作数据和工作必须数据；所述工作数据包括所述智能传感器工作中产生的数据，所述工作必须数据包括保证所述智能传感器工作的数据。

可选地，所述数据存储单元至少包括三个存储地址，所述工作数据和所述工作必须数据分别储在每个存储地址，以使所述处理器对比每个存储地址中的工作数据和工作必须数据确定正常的工作数据和工作必须数据。

第二方面，本发明提供了一种智能传感器的智能化方法，该方法包括：

处理器向电路开关模块发送控制指令；

所述电路开关模块根据所述控制指令将传感器模块和信号调理模块连接；

所述传感器模块采集被测量的数据，将采集的数据发送至所述信号调理模块；

所述信号调理模块处理所述传感器模块采集的数据，并将处理后的数据发送给所述处理器；

所述处理器处理所述信号调理模块处理后的数据。

可选地，该方法还包括：

所述电路开关模块接收所述处理器的控制指令将校准模块和所述信号调理模块连接；

所述校准模块输出基准参数给所述信号调理模块；

所述处理器接收所述信号调理模块处理后的基准参数并根据所述基准参数计算调整参数。

可选地，该方法还包括：

所述处理器采集所述智能传感器的工作数据，以及判断所述传感器模块采集的数据是否异常，以及判断所述工作数据是否异常，并在异常时发出反馈信息。

可选地，该方法还包括：所述处理器检测所述信号调理模块的工作状态，并判断所述信号调理模块是否正常工作。

可选地，该方法还包括：通过通信模块实现所述处理器与外部上位机之间的数据交互。

可选地，该方法还包括：具有掉电保护功能的数据存储单元的每个存储地址存储所述工作数据和所述工作必须数据。

可选地，该方法还包括：对比每个存储地址中的工作数据和工作必须数据确定正常的工作数据和工作必须数据。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明通过处理器以及基本传感器的联合使用，赋予了传感器智能化的能力，实现了智能传感器的功能。其中，基本传感器由传统传感器构成，是智能传感器的基础部分，相当于人的感觉器官，负责采集被测量；处理器相当于人的大脑，通过微处理器的软硬件设计，以及相应的电路设计，实现自诊断、自校准、即插即用功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例提供的智能温度传感器的结构示意图；

图2是本发明一个实施例提供的智能温度传感器校准方法的示意图；

图3是本发明一个实施例提供的过流过压保护模块的结构示意图；

图4是本发明一个实施例提供的分压2模块的结构示意图；

图5是本发明一个实施例提供的分压1模块的结构示意图；

图6是本发明一个实施例提供的分压3模块的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种智能传感器，具有信息处理功能的传感器，带有处理器，本实施例中为微处理器，能够对传感器模块输出的模拟信号进行数据采集、数据处理、总线输出，是传感器模块与微处理器相结合的产物。不同的实施例中传感器模块包括力传感器、压力传感器、加速度传感器、流量传感器、温度传感器和/或湿度传感器的敏感元件，使用不同的敏感元件可以实现不同的智能传感器。本实施例中以智能温度传感器为例进行说明。

本实施例提供了一种智能传感器，该智能传感器包括：敏感元件、校准模块、电路开关模块、信号调理模块和微处理器，其中，所述敏感元件和所述校准模块均通过所述电路开关模块与所述信号调理模块断开或连接，所述微处理器与所述信号调理模块和所述电路开关模块连接；

所述敏感元件用于采集被测量的数据；所述校准模块用于在所述信号调理模块与所述校准模块连接时提供基准参数；所述信号调理模块用于接收所述敏感元件采集的数据并处理、发送给所述微处理器；所述微处理器用于处理所述信号调理模块处理后的数据，以及向所述电路开关模块发送控制指令；所述电路开关模块用于接收所述微处理器的控制指令将所述敏感元件和所述校准模块与所述信号调理模块连接或断开；所述微处理器还用于接收所述信号调理模块处理后的基准参数并根据所述基准参数计算调整参数。

在该实施例中，微处理器是处理器的一种，在其他实施例中可以采用其他类型的处理器。电路开关模块、敏感元件和校准模块与微处理器实现了智能温度传感器的自校准功能。自校准功能依托两个标准值进行实现，根据实际使用情况，也可以使用三个或更多标准值，曲线拟合之后进行实现。针对不同的智能传感器，校准模块的结构不尽相同。本实施例中为智能温度传感器的敏感元件输出为电阻值，因此校准模块由两个标准电阻组成，标准电阻1和标准电阻2。又如智能压力传感器将敏感元件换成压电式传感器输出值为电压值，则将校准模块设计成相应的电桥即可实现自校准。信号调理模块实现信号的调理，将模拟信号转换为数字信号，输入到微处理器。

本实施例中，假设传感器的输入输出之间的关系可以用公式(1)表示：

y＝(a₀+a₁x) (1)

公式(1)中，a₀为零位输出值；a₁是增益量。当系统没有误差时，a₀、a₁为常数。但是在现实测量中，由于环境中各种干扰因素的影响，传感器系统的性能变得不稳定，对零位输出值以及增益量都引入了误差，则输出和输入特性如公式(2)所示：

Y＝a′₀+a′₁x＝(a₀+Δa₀)+(a₁+Δa₁)x (2)

式中，Δa₀和Δa₁是偏移误差，由零点漂移和温度漂移造成。

使用图2自校准方法所示的方法可以实现传感器的自校准功能。图中敏感元件测量电路、标准电阻1采集电路以及标准电阻2采集电路分别采集各自的数据，这些数据均为同类属性的量，之后通过电路开关模块分别进入电路，实现自校准功能。

具体的步骤如下：

(1)第一标准值输入：通过标准电阻1将标准值U₀接入电路，输出值y₀；

(2)第二标准值输入：通过标准电阻2将标准值U_R接入电路，输出值y_R；

(3)计算偏差：通过两次测量，可以由以下公式得到新的输入输出特性公式：

a′₀＝a₀+Δa₀＝y₀

计算得到Δa₀和Δa₁，进而修改标定的参数，可以消除传感器的零点漂移和温度漂移。

本实施例中，由标准电阻1和标注电阻2提供基准参数标准值U₀和U_R，微处理器根据基准参数计算得到调整参数Δa₀和Δa₁，进而修改标定的参数，可以消除传感器的零点漂移和温度漂移。由于本实施例中智能温度传感器使用的敏感元件是电阻型敏感元件，所以标准值以及零点标准值的选用标准电阻，其中标准电阻1选用100Ω电阻，标准电阻2选用140Ω电阻。自校准功能在硬件的支持下，分别将不同的标准信号输入到微处理器中，在经过算法的运算之后，实现被测量零位漂移、温度漂移的消除，对传感器的测量参数进行自动校准，现了传感器的测量精度的提高。

本实施例提供的智能传感器还包括过流过压保护模块连接外界电源。如图3所示，过流过压保护电路模块由二极管D1、D2和保险丝F1构成。D1的正极接15V电源，负极接保险丝F1；D2正极接地，负极接保险丝F1；D2负极为过流过压保护模块的输出。

本实施例提供的智能传感器还包括参考电压模块、降压模块和分压模块实现智能传感器的电压自诊断。如图1所示，过流过压保护模块的输出接入到5V降压模块，对15V电压进行降压。5V降压模块的输出接到3.3V降压模块、3.3V基准电源模块以及分压模块2。如图4所示，分压模块2由电阻R1和R2构成，实现对5V电压的分压，分压之后输出到微处理器，实现自诊断功能。5V降压模块的输出接入到3.3V基准电源模块，得到3.3V基准电源。3.3V基准电源模块的输出接到分压模块1。如图5所示，分压模块1由电阻R3和R4构成，实现3.3V基准电压的分压，分压之后输出到微处理器，实现自诊断功能。5V降压模块的输出接入到3.3V降压模块，对5V电压进行降压，得到3.3V电压。3.3V降压模块的输出接到分压模块3，同时为智能传感器的微处理器、通信模块、信号调理模块以及电路开关模块供电。如图6所示，分压模块3由电阻R5和R6构成，实现3.3V电压的分压，分压之后输出到微处理器，实现自诊断功能。

在该实施例中，微处理器分别采集参考电压模块和两个个降压模块的电压值，通过电压值的比较确认电压降压模块和分压模块是否出现故障。不同实施例中，电源的输入电压可以根据实际使用情况进行调整，并非一定是本实施例中的15V，可以是其他值，如5V、10V等。参考电压模块和降压模块的输出电压值根据实际情况不同可以选择输出电压不同的芯片进行调整，保证芯片的正常供电即可。

本实施例提供的处理器还用于采集所述智能传感器的工作数据，以及判断所述传感器模块采集的数据是否异常，以及判断所述工作数据是否异常，并在异常时发出反馈信息；其中，所述传感器模块采集的数据异常至少包括：在所述传感器模块和所述信号调理模块连接时，所述传感器模块未采集数据或采集的数据超出量程；所述工作数据的异常至少包括：噪声毛刺异常和电压跳变异常。

在该实施例中，微处理器读取信号调理模块芯片寄存器的数据，确认是否正确，进行故障诊断；通过通信模块发送特定数据，查看接受的数据是否正确，进行通信模块的故障诊断；采集敏感元件的数据，检测数据是否正常(是否超出量程或敏感元件未连接)，进行敏感元件的故障诊断；在数据的实时采集过程中，对数据进行判断(根据测量物理量不同或测量环境不同，判断标准也不同)，当出现数据异常时进行故障报警。在硬件模块支持下，通过处理器对智能传感器中不同模块的健康状况监测，对整个系统进行故障诊断，并具备报警能力，达到了传感器自诊断以及故障报警的功能，在不借助其他仪器设备的帮助下，直接诊断出故障的位置，实现更可靠的信息采集。

本实施例提供的智能传感器还包括：与所述处理器连接的通信模块，用于实现所述处理器与外部上位机之间的数据交互。为了避免信号间的干扰，通信模块可以设置为串口总线和CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)总线。测量数据通过串口总线，定时传输给上位机；上位机通过CAN总线将自诊断、自校准等命令发送给微处理器，并通过CAN总线从智能传感器获得反馈。在本实例中使用RS422串行接口，负责上位机与智能传感器之前采集到的数据的传输。根据实际使用情况的不同，可以选用不同的串行接口，如RS232或RS485总线。在本实例中选用CAN隔离接口，负责上位机与智能传感器之间控制信号的通讯。本实例选用的CAN接口芯片具备隔离功能，根据实际使用情况的不同，也可以选择CAN隔离芯片和CAN收发芯片结合使用的方式实现。如需要，串口总线和CAN总线，根据实际使用情况也可以使用I²C总线或其他总线类型。

两种总线的设计很好地利用了不同总线的特性，传输数据使用串口总线，传输速度较快，传输稳定；控制信号通过CAN总线进行传输，确保了信号传输的可靠性。

本实施例提供的智能传感器处理器包括具有掉电保护功能的数据存储单元，用于存储所述智能传感器工作数据和工作必须数据；所述工作数据包括所述智能传感器工作中产生的数据，所述工作必须数据包括保证所述智能传感器工作的数据；

所述数据存储单元至少包括三个存储地址，所述工作数据分别储在每个存储地址。

根据硬件冗余方法的特性，在本实施例中将硬件冗余方法应用到对重要数据的保存工作中，对工作数据和工作必须数据进行保存。本方案中设计的智能传感器具备一个微处理器，需要将使用过程中的重要数据保存到微处理器的FLASH中，方便之后的检验以及重复使用，即实现即插即用功能的必要部分。微处理器中的FLASH有多个地址，在硬件上满足冗余的条件，能够很好地支持硬件冗余方法的使用，因此通过对微处理器中的软件算法的程序编写，实现了将重要数据存储到多个FLASH地址中的功能，在调用这些重要数据的时候，所有地址的数据一起读取出来，判断数据特性之后能够诊断出存储的数据是否发生故障，当使用地址在三个以上时，能够检测出数据发送错误的具体地址，并且能够确定正常的数据，以确保每次使用智能温度传感器的时候都能够顺利完成初始化，确保了智能温度传感器使用的可靠性。重要数据可以是智能传感器的工作数据和工作必须数据，工作数据包括智能传感器工作中产生的全部数据，如通信模块发送特定数据、处理器采集降压模块的电压值和传感器模块采集的数据等。而工作必须数据包括保证智能传感器能够正常工作的数据，如校准模块提供的基准参数等。

本实施例中将智能温度传感器的标定数据、型号、使用时间、量程、精度数据等重要数据存储在微处理器的FLASH中，能够让数据掉电保存，在智能温度传感器使用时直接从FLASH中读取信息，避免了复杂的手动输入环节。并且每次对智能温度传感器进行标定之后(微处理器获取调整参数后对参数进行调整后)，会重新将标定数据写入FLASH中，每次使用传感器之后，会对使用时间进行更新。此外，为了避免数据被破坏，将这些数据存在FLASH的多个地址中，在使用时先对数据进行对比，确认数据准确，以确保每次使用智能温度传感器的时候都能够顺利完成初始化，确保了智能温度传感器使用的可靠性。

本发明还提供了一种智能传感器的智能化方法，该智能传感器为本发明提供的智能传感器，该方法包括：

处理器向电路开关模块发送控制指令；

所述电路开关模块接收所述处理器的控制指令将传感器模块和信号调理模块连接；

所述传感器模块采集被测量的数据；

所述信号调理模块接收所述传感器模块采集的数据并处理、发送给所述处理器；

所述处理器处理所述信号调理模块处理后的数据。

在该实施例中，通过通信模块实现所述处理器与外部上位机之间的数据交互。外部的上位机可以向智能传感器发送控制指令。

在本发明一个实施例中，该方法还包括：

所述校准模块输出基准参数给所述信号调理模块；

在本发明一个实施例中，该方法还包括：

在本发明一个实施例中，该方法还包括：所述处理器检测所述信号调理模块的工作状态，并判断所述信号调理模块是否正常工作。

在本发明一个实施例中，数据存储单元没有给存储地址存储所述智能传感器的工作数据和工作必须数据；所述工作数据包括所述智能传感器工作中产生的数据，所述工作必须数据包括保证所述智能传感器工作的数据。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的智能化方法的具体工作过程，可以参考前述智能传感器实施例中的对应过程，在此不再赘述。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个······”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质中。

最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种智能传感器，其特征在于，该智能传感器包括：传感器模块、电路开关模块、信号调理模块、处理器，以及通过所述电路开关模块与所述信号调理模块断开或连接的校准模块，其中，所述传感器模块通过所述电路开关模块与所述信号调理模块断开或连接，所述处理器与所述信号调理模块和所述电路开关模块连接；

所述传感器模块用于采集被测量的数据，将采集的数据发送至所述信号调理模块；所述信号调理模块用于处理所述传感器模块采集的数据，并将处理后的数据发送给所述处理器；所述校准模块用于在所述信号调理模块与所述校准模块连接时提供基准参数；所述处理器用于处理所述信号调理模块处理后的数据，以及向所述电路开关模块发送控制指令，所述处理器还用于接收所述信号调理模块处理后的基准参数并根据所述基准参数计算调整参数；所述电路开关模块用于根据所述控制指令连接或断开所述传感器模块和所述信号调理模块，所述电路开关模块还用于接收所述处理器的控制指令连接或断开所述校准模块和所述信号调理模块；

所述处理器还用于采集所述智能传感器的工作数据，以及判断所述传感器模块采集的数据是否异常，以及判断所述工作数据是否异常，并在异常时发出反馈信息；其中，所述传感器模块采集的数据异常至少包括在所述传感器模块和所述信号调理模块连接时，所述传感器模块未采集数据或采集的数据超出量程；所述工作数据的异常至少包括：噪声毛刺异常和电压跳变异常。

2.根据权利要求1所述智能传感器，其特征在于，该智能传感器还包括：参考电压模块、至少两个降压模块和至少三个分压模块，其中，

3.根据权利要求2所述智能传感器，其特征在于，该智能传感器还包括：过流过压保护模块，所述第一降压模块通过所述过流过压保护模块与所述外界电源连接。

4.根据权利要求1所述智能传感器，其特征在于，所述处理器还用于检测所述信号调理模块的工作状态，判断所述信号调理模块是否正常工作。

5.根据权利要求1所述智能传感器，其特征在于，该智能传感器还包括：与所述处理器连接的通信模块，用于实现所述处理器与外部上位机之间的数据交互。

6.根据权利要求1所述智能传感器，其特征在于，所述处理器包括具有掉电保护功能的数据存储单元，用于存储所述智能传感器的工作数据和工作必须数据；所述工作数据包括所述智能传感器工作中产生的数据，所述工作必须数据包括保证所述智能传感器工作的数据；

所述数据存储单元至少包括三个存储地址，所述工作数据和所述工作必须数据分别储在每个存储地址，以使所述处理器对比每个存储地址中的工作数据和工作必须数据确定正常的工作数据和工作必须数据。

7.一种权利要求1-6中任一所述智能传感器的智能化方法，其特征在于，该方法包括：

处理器向电路开关模块发送控制指令；

所述处理器处理所述信号调理模块处理后的数据；

该方法还包括：

所述电路开关模块接收所述处理器的控制指令将所述校准模块和所述信号调理模块连接；

所述校准模块输出基准参数至所述信号调理模块；

所述处理器接收所述信号调理模块处理后的基准参数并根据所述基准参数计算调整参数；

所述处理器采集所述智能传感器的工作数据，以及判断所述传感器模块采集的数据是否异常，以及判断所述工作数据是否异常，并在异常时发出反馈信息；其中，所述传感器模块采集的数据异常至少包括在所述传感器模块和所述信号调理模块连接时，所述传感器模块未采集数据或采集的数据超出量程；所述工作数据的异常至少包括：噪声毛刺异常和电压跳变异常。