CN1148567C - 传感器模拟系统 - Google Patents

Abstract

一种由DSP、模拟输出通道、逻辑控制电路、EPROM、串行接口电路以及相应软件组成的传感器模拟系统。用查表和插值及解差分方程的方法等，产生多路各种形式的动态响应信号和多通道之间的耦合信号，以便调试和考核传感器的动态线性和非线性校正系统；产生各种噪声信号，以便考核动态校正系统的抗干扰性能。

Description

传感器模拟系统

本发明涉及一种传感器的模拟系统，特别是一种以数字信号处理器(DSP)为核心，具有动态线性和非线性特性、并可产生各种噪声的传感器模拟系统。

在测量动态非电量中，当传感器的动态响应速度不够快无法满足测量要求时，比较实用和有效的方法是采用动态补偿方法来改善传感器的动态性能，即在传感器之后接一个由模拟电路组成的动态补偿器或以单片机为处理核心用软件实现的动态补偿器，动态补偿器对传感器的输出信号进行校正，使其尽快进入稳态，缩短其动态响应的调整时间。北京航天航空大学的黄俊钦(国防工业出版社，1997年，《测试系统动力学》)和合肥工业大学徐科军(中国科学技术大学出版社，1999年，《传感器动态特性的实用研究方法》)分别对动态补偿器的设计和实现进行了较为深入、全面的研究。为了调整动态补偿器的参数，考核其效果，必须将其接在传感器之后进行实验。但是，进行传感器动态标定实验并不是一件容易的事。因为要产生不同形式的动态非电量送给传感器，例如正弦信号、脉冲信号或阶跃信号，这需要专门的、比较昂贵的设备。若传感器是多维力传感器时，则要标定多个方向的力和力矩，实验起来就更为麻烦。这就对调试和考核动态补偿器造成了困难。为此，北京航天航空大学的黄俊钦等(计量学报，1995，16(1)：58～67，“力传感器的动态重复性、线性度与性能改进的研究”)和合肥工业大学徐科军等(自动化仪表，1997，18(12)：5～8，“腕力传感器动态补偿的两种实现方法”)依据传感器的实际参数，采用运算放大器和电阻、电容的组合，研制出传感器的模拟器。只需对模拟器施加电信号，就可产生阶跃响应，这为调整和考核动态补偿器提供了方便。

但是，用模拟电路研制的传感器模拟器存在如下问题：

(1)实际传感器的输出信号中可能含有噪声，用模拟电路实现的传感器模拟器不易产生噪声。

(2)实际的传感器可能是动态非线性的，并且，非线性的形式可能是多种多样的，模拟电路实现起来不方便。

(3)对于多维传感器，其各个通道之间耦合程度不一致，用模拟电路模拟不太方便。

(4)若要模拟多个传感器，其中每个传感器模拟器输出信号的频率、相位和幅值可以调整、并彼此满足一定的关系，用模拟电路实现比较困难。即便是使用信号发生器，例如HP3325B综合/函数发生器也不能产生两路有固定相位差的信号，更做不到相位差任意可调。

本发明的目的是提供以DSP为核心、具有动态线性和动态非线性，并可产生各种噪声的传感器模拟系统。本发明可以产生多路各种形式的动态响应信号(例如，阶跃响应、脉冲响应等)，和多通道之间的耦合信号，以便调试和考核传感器的动态线性校正系统；产生多路不同形式的动态非线性响应信号，以便调试和考核传感器的动态非线性校正系统；产生各种噪声信号，以便考核动态校正系统的抗干扰性能；产生两路频率和相位差均可调的信号，模拟科里奥利质量流量计中的两个传感器的信号，以便调试和考核科氏流量计信号处理系统等。

本发明为了实现发明目的，采用了如下的技术方案。该系统由DSP(例如，AD公司的DSP芯片ADSP2181)、模拟输出通道、逻辑控制电路、EPROM、串行接口电路以及相应的软件组成。模拟输出通道由1个或多个数/模转换器(D/A)、1个或多个滤波器和一个或多个跟随放大器(例如，各为8个)组成。逻辑控制电路主要由译码器组成。本发明以ADSP2181 EZ-KIT LITE(AD公司为ADSP2181设计的最小系统，其中包括ADSP2181芯片、EPROM、串行接口电路等)为核心，采用查表和插值相结合的方法以及解差分方程的方法，产生传感器的动态线性和非线性响应；通过算法，产生噪声信号，为传感器动态校正系统和流量计信号处理系统等的调试和考核，提供条件。

ADSP2181通过软件产生各种形式的动态线性和非线性响应信号，以及噪声信号，在逻辑电路的控制下，ADSP2181与8个D/A中的一个或多个相连，将信号送给D/A，再经过滤波和跟随，最后输出动态响应信号。

本发明的优点在于：可以通过选择不同的算法，产生不同形式的动态线性响应和动态非线性响应，并在响应中加入噪声信号，以全面真实地模拟实际传感器的各种响应情况。

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

图1是本系统的硬件框图，系统由ADSP2181 EZ-KIT Lite(或ADSP2181、EPROM、串行接口电路等)、模拟输出通道和逻辑控制电路组成。模拟输出通道是由滤波器和跟随输出放大器组成。

图2是本发明系统的部分硬件原理图，包括ADSP2181 EZ-KIT Lite(图中画的是它的引出脚插座DSP P2和DSP P3，它们引出了ADSP-2181 EZ-KIT Lite的100个引脚，包括数据线，控制线和地址线)。

图3是本系统的部分硬件原理图，包括1个至8个数模转换器(D/A)，图中只画了其中的1个D/A。

图4是本发明系统的部分硬件原理图，包括逻辑控制电路。

图5是本发明系统的部分硬件原理图，包括1个至8个滤波器(R3，C3)和跟随放大器，图中只画了其中的1个RC滤波器和跟随放大器U1(LF351)。

图6是本发明系统的软件流程图。

图7是本发明系统的解差分方程软件流程图。

图8是本发明系统的解非线性方程的软件流程图。

图9是本发明系统的非线性曲线图。

图10是本发明系统的数据的内存分布图。

选用DSP作为传感器模拟系统的核心。DSP体积小，运算速度快，指令周期为30ns，且为并行处理方式，一条指令就可以完成一次乘法操作或移位运算，还有多功能指令，完全可以满足传感器模拟系统信号产生的要求，具体选用AD公司的ADSP-2181芯片。ADSP2181有片内16k(24位)程序存储器和16k(16位)片内数据存储器，这样在构成系统时，就可以不用外接存储器，体积小，成本低，工作可靠。

为了方便实现，本发明用ADSP2181 EZ-KIT Lite为信号产生的核心。ADSP2181 EZ-KIT Lite是AD公司为开发ADSP2181而研制的实验板，该板是一个完整的信号处理系统，也是ADSP2181最小化实现的一个实例。这块板主要包括ADSP2181数字信号处理器，一片EPROM，各种支持电路和与PC通讯的RS-232接口电路等。

此系统可以具有1路至8路输出，所以输出通道中需要8片D/A。系统中采用的是MAX507ACNG，如图3所示。这种芯片的最大优点是速度快，可以和ADSP2181的时序相匹配，输出是电压，无须电压转换电路，内部带有电压参考源，输出范围是0～10V或-5～+5V可调，差分非线性±1LSB，满量程输出电压误差±0.2％，输出电压建立时间最大5μs，，数据写入只需100ns。MAX507ACNG的数据线D0～D11与ADSP2181数据线的高十六位D12～D23相连，如图2和图3所示；WR与ADSP2181的WR脚相连控制线LDAC与ADSP2181的输出管脚PF4相连，如图4所示；CLR始终接+5V。

采用了74F138PC三线一八线译码器，组成逻辑控制电路，如图4所示。A0，A1和A2为ADSP2181低3位地址线，以ADSP2181的输入输出存储器选择IOMS作为译码器的使能信号，这样ADSP2181在发出外围设备读写指令时，译码器才能开始工作。译码器的输出Y1～Y8分别和8个D/A的片选端相连。

图5是滤波器和跟随放大器电路，通过开关S11，S12，S13的开启和闭合可以对图2中D/A₁的输出OUT(即图5中的in信号)进行滤波或跟随，或者同时完成滤波跟随。当开关S11和S12同时合向2，S13断开时电路完成滤波功能。由于D/A转换后的输出有毛刺，如果要求输出的波形比较光滑，就需要对其进行滤波，这里采用了一阶阻容滤波电路。若信号的范围在1.5kHz以内，滤波器的截止频率可设为

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\πRC}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\×100\×0.1\×{10}^{-6}}\≈8\×{10}^3\left(\mathrm{Hz}\right)$

这样就可以滤掉高频分量。当开关S11合向1，S12断开(既不合向1，也不合向2)，S13合上时，电路仅完成跟随功能；当开关S11合向2，S12合向1，S13也合上时电路完成滤波和跟随功能。

图6是本发明系统的软件流程图。初始化是将输入信号阶跃和脉冲等存到内存中。中断是由系统的定时器产生的，例如50μs，在响应一个中断中，程序先按顺序读取一个输入信号的值，再解差分方程，差分方程的输出通过查表产生非线性输出，此输出送到内存的固定的地方，等下一个中断到来时，送出这个值，然后再读入下一个输入值，再解差分方程，差分方程的输出通过查表产生非线性输出，此输出送到内存的固定的地方，等下一个中断到来时，送出这个值，如此循环就可产生动态非线性响应。

产生线性动态响应是以解差分方程为基础的。解差分方程子程序的软件流程图如图7所示。MR为ADSP2181的乘积寄存器，a_n和b_n分别为y(t-n)和x(t-n)的系数，放在不同的数组寄存器中。第一次循环计算n-1次a_n×y(t-n)，第二次循环计算n次b_n×x(t-n)并与第一次循环计算结果相加，最终MR寄存器中即为差分方程的结果。

图8是产生静态非线性输出的流程图。由于用汇编语言实现非线性在编程上比较困难，这里我们采用了查表和插值的形式来实现的。如有非线性方程 $z=f\left(y\right)=y^{\frac{1}{3}}$ (要求非线性方程为单调函数)，其输入输出曲线如图9所示。先确定y的取值范围(如-4＜y＜4)，在这个范围中计算出对应的z值，设在这个范围中有n个点，这样就有n对坐标(y_i，z_i)。然后将这n对坐标按顺序存入内存，如图10所示。查表程序根据内存情况而进行的，如图10所示，对应任意的y_i(y_i应在上述指定范围中)，总能够查到(y_i-1，z_i-1)和(y_i+1，z_i+1)，有y_i-1＜y_i＜y_i+1，这时y_i对应的z_i值就可以通过插值来求得。对于y不在上述范围之内时，直接取最小值z₁或最大值z_n，即如果非线性输出z在表格之外时，也即y比表格中的最大值大或比最小值小时，y所对应的非线性输出就不需要插值，而直接输出表格中的最大值或最小值。本发明没有采用折半查表的方法是为了提高查表的速度，这主要是针对大多数系统，因为一般的系统输出都是连续的，输出值不存在很大的突变，前后两次输出值在表格中也比较接近，在表格中这两个值也很靠近，查表程序都要由地址指针I5来记录上一次查表结果的位置，在下一点y开始查表时，就以此I5的值(设为Y)为基准点，比较y与Y值的大小，如果y＞Y则向表格地址增加的方向进行查表，否则向地址减小的方向查表。这种方法将比折半更能减少查表的次数。具体查表过程如下：先将I5的值赋给I6，再将差分方程的输出值读入AY0(I5先记下的是上一次查表所停止的位置)，AY0于表格中的最小值比较，如果AY0比表格中的最小值小时，输出表格中最小值所对应的非线性输出，如果AY0比表格中最小值大时，再将AY0与表格中的最大值比较，如果AY0比表格中的最大值大时，输出表格中最大值所对应的非线性输出，如果AY0不比表格中最大值大时，将AY0如I6所指向的值(此值是上一次查表停止的地方)比较，在AY0比I6所指向的值大时，查表方向是指向表格单元地址增大的方向，I6＝I6+2，此语句作用是取下一个数来比较，如果这时AY0仍小于I6所指向的值时，I6地址继续加2，直到某一I6，此I6所指向的值大于AY0，这时应是查表停止的位置了，将I6+1的值赋给AX0，将I6-2的值赋给AY0；非线性输出采用了均值的方法，即OUT＝(AX0+AY0)/2，查表停止的位置I6将存到I5中以便下一次查表之用。如果AY0的值比I6所指向的小时，查表的方向是向着表格地址减少的方向进行的，这时取下一个数据的语句是I6＝I6-2，如果AY0的值大于I6所指向的值时，I6的地址将继续减小，直到某一I6所指向的值小于AY0的值，这时查表过程停止，将I6+1的值赋给AX0，将I6+2的值赋给AY0；非线性输出为OUT＝(AX0+AY0)/2，再将I6中的地址值赋给I5，以便下一次查表之用。

若要产生线性动态响应时，其系统软件结构只需将图6中的“求解非线性方程产生动态非线性响应”环节去掉即可。

若要是动态响应中有噪声，首先用C语言产生大量的噪声数据，然后归一化处理，再存到内存中，这样在输出动态响应之前，将此动态响应加上一个噪声数据，再输出此值。

若要模拟多维力传感器，产生多路含有耦合分量的动态响应信号，则此系统将要解多路线性差分方程，含有多路输出，这时根据实际耦合情况将对应的线性方程的输出相加，得到耦合信号，再将此信号输出即可。

若要模拟多个传感器，并要求输出信号之间具有规定的相位差，则先在内存中存入多个正弦信号，信号之间有相位差，再将这些正弦信号同时输出即可。例如，产生两路频率和相位差均可调的信号，模拟科里奥利质量流量计中的两个传感器的信号，以便调试和考核科氏流量计信号处理系统。

Claims (2)

1.一种传感器的模拟系统，由1个数字信号处理器(DSP)、多个数/模转换器(D/A)、多个滤波器、多个跟随放大器、1个逻辑控制电路、1片EPROM、串行接口电路以及相应的软件组成；所说的DSP采用解差分方程算法，产生多路多种形式的动态响应信号和多通道之间的耦合信号；所说的DSP采用解差分方程以及查表和插值相结合的方法，产生多路多种形式的动态非线性响应信号；所说的DSP通过算法产生多种噪声信号；在所说的逻辑电路的控制下，所说的DSP将信号送给与其相连的多个D/A，再经过多个滤波器和多个跟随放大器，最后输出多路信号；其特征在于DSP及逻辑控制电路部分与系统中的其它部分相连，构成一种传感器模拟系统，通过软件产生传感器动态线性和动态非线性响应以及多种噪声信号。

2.根据权利要求1所述的一种传感器模拟系统，其特征在于DSP芯片及逻辑控制电路，采用解差分方程以及查表和插值相结合的方法，产生传感器的动态线性和非线性响应；通过算法，产生噪声信号；在初始化过程中，将输入信号阶跃或脉冲等存到内存中，响应由系统的定时器产生的一个中断中，程序先按顺序读取一个输入信号的值，再解差分方程，差分方程的输出通过查表产生非线性输出，此输出送到内存的固定的地方，等下一个中断到来时，送出这个值，然后再读入下一个输入值，再解差分方程，差分方程的输出通过查表产生非线性输出，此输出送到内存的固定的地方，等下一个中断到来时，送出这个值，就这样循环产生动态线性和动态非线性响应。

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