基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的智能壓力傳感器研究

　　0 引言

　　隨著高性能計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)傳感器已不再與其測(cè)控系統(tǒng)相適應(yīng)。控制系統(tǒng)要求傳感器具備較強(qiáng)的信息處理和自我管理能力，以實(shí)現(xiàn)信息的采集與信息的預(yù)處理，減輕控制計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)和提高整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的可靠性。然而計(jì)算機(jī)則著重于信息的高層次加工和處理，便于在現(xiàn)有硬件條件下大幅度提高系統(tǒng)的性能，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。智能傳感器系統(tǒng)就是為了更好地適應(yīng)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展而提出的一個(gè)新的研究方向。

　　一個(gè)壓力傳感器，當(dāng)壓力參量恒定而溫度變化時(shí)，其輸出值也發(fā)生改變，即這個(gè)壓力傳感器存在溫度參量的復(fù)合靈敏度。當(dāng)傳感器存在復(fù)合靈敏度時(shí)，就會(huì)致使其性能不穩(wěn)定，測(cè)量精度低。多傳感器信息融合技術(shù)就是通過對(duì)多個(gè)參數(shù)的監(jiān)測(cè)并采用一定的信息處理方法來提高每一個(gè)參量的測(cè)量精度。在只要求測(cè)量一個(gè)目標(biāo)參量的場(chǎng)合，為提高被測(cè)目標(biāo)參量的測(cè)量精度，把其他參量當(dāng)作干擾量，消除其影響，使每個(gè)參量測(cè)量精度都獲得提高，所以傳感器信息融合技術(shù)為開發(fā)多功能傳感器系統(tǒng)開辟了途徑。本文主要討論智能壓力傳感器技術(shù)應(yīng)用和數(shù)據(jù)融合技術(shù)的研究。

　　1 智能壓力傳感器的硬件設(shè)計(jì)

　　圖1為智能壓力傳感器的硬件框圖。在本設(shè)計(jì)中，硬件系統(tǒng)的組成分為2部分：

　　(1)傳感器輸出信號(hào)的預(yù)處理部分。主要由信號(hào)調(diào)理電路組成，包括對(duì)靜壓和溫度傳感器的恒壓源電路的設(shè)計(jì)，以及對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行濾波放大。

　　(2)信號(hào)分析處理部分，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并完成對(duì)信號(hào)的分析處理。

　　在信號(hào)處理部分，本文著重采用ADuC812單片機(jī)設(shè)計(jì)硬件電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，其功能方框圖如圖2所示。由圖2可知ADuC812單片機(jī)與其他單片機(jī)不同的特點(diǎn)：芯片內(nèi)不僅集成了可重新編程非易失性閃速/電擦除程序存儲(chǔ)器的高性能8位(與8051兼容)MCU，還包含了高性能的自校準(zhǔn)8通道ADC及2通道12位DAC;與所有8051兼容的器件一樣，對(duì)于程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，ADuC812具有各自獨(dú)立的地址空間，如64 KB外部程序地址空間和16 MB外部數(shù)據(jù)地址空間，但與其他器件不同的是，它包含了片內(nèi)閃速存儲(chǔ)器技術(shù)，可以向用戶提供8 KB的閃速/電擦除程序存儲(chǔ)器、640 KB的閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器;芯片集成了全部輔助功能塊，可以充分支持可編程的數(shù)據(jù)采集核心。這些輔助功能塊包括看門狗定時(shí)器(WDT)、電源監(jiān)視器(PSM)以及ADCDMA功能。另外，為多處理器接口和I/O擴(kuò)展提供了32條可編程的I/O線、IZC兼容的SPI和標(biāo)準(zhǔn)UART串行端口。

　　在本文中，將ADuC812單片機(jī)P1口的P1.0，P1.1和P1.2作為三路信號(hào)輸入通道。其中一路輸入溫度信號(hào)，一路輸入靜壓信號(hào)，一路接地，這一路可配合相應(yīng)的軟件來降低溫漂和系統(tǒng)誤差;P1.7口接發(fā)光二極管，用于監(jiān)測(cè)單片機(jī)是否正常工作：P2口的P2.0和P2.1作為液晶顯示的輸入脈沖和數(shù)據(jù)端;P3口的P3.0(RXD)和P3.1(TXD)外接一片MAX232，進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)和PC機(jī)的通信。本設(shè)計(jì)采用外部時(shí)鐘產(chǎn)生方式.晶體頻率為11.059 2 MHz，采用內(nèi)部基準(zhǔn)，在7引腳(CRER)與AGND之間連接0.1μF的電容。電源復(fù)位電路采用MAX708芯片進(jìn)行復(fù)位。硬件設(shè)計(jì)中最大的亮點(diǎn)是硬件電路簡(jiǎn)潔，ADuC812單片機(jī)不用外接A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，不占用大量的空間，并且具有可重新編程非易失性閃速/電擦除程序存儲(chǔ)器，調(diào)試簡(jiǎn)單。

　　2 多傳感器數(shù)據(jù)融合算法的選擇

　　目前應(yīng)用在智能壓力傳感器的融合算法主要有2種，分別為多維回歸分析法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。

　　2.1 多維回歸分析法

　　回歸分析法的基本思想是：用多維回歸方程來建立被測(cè)目標(biāo)參量與傳感器輸出量之問的對(duì)應(yīng)關(guān)系。與經(jīng)典傳感器一維實(shí)驗(yàn)標(biāo)定/校準(zhǔn)不同的足要進(jìn)行多維標(biāo)定/校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，通過最小二乘法原理由實(shí)驗(yàn)標(biāo)定/校準(zhǔn)數(shù)據(jù)計(jì)算出回歸方程中的系數(shù)。這樣，當(dāng)測(cè)得傳感器輸出值時(shí)，就可由已知系數(shù)的多維回歸方程來計(jì)算出相應(yīng)的輸入被測(cè)目標(biāo)參數(shù)。具體的算法是已知壓力傳感器輸出電壓U代表壓力信息，另一溫度傳感器輸出電壓Ut代表溫度信息，則壓力參量P’可以用U及Ut二元函數(shù)來表示才完備，即：

　　由最小二乘法原理得到系數(shù)a0～a5，代入二維回歸方程中，確定檢測(cè)壓力P’和輸出U的二元輸入-輸出特性。當(dāng)采集到二個(gè)傳感器的輸出值U及Ut時(shí)，代入式中就可以計(jì)算得到傳感器的被測(cè)參量P’。

　　2.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

　　神經(jīng)元之間的連接方式不同，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也不同。根據(jù)神經(jīng)元之間的連接方式，可將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為2大類，層次型結(jié)構(gòu)和互聯(lián)型結(jié)構(gòu)。層次型結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將神經(jīng)元按功能分成若干層，如輸入層、中間層(也稱為隱層)和輸出層，各層順序相連。輸入層各神經(jīng)元負(fù)責(zé)接受來自外界的輸入信息，并傳遞給中間各隱層神經(jīng)元;隱層是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部信息處理層，負(fù)責(zé)信息變換;最后隱層傳遞到輸出層各神經(jīng)元的信息經(jīng)近一步處理后由輸出層向外界輸出信息處理結(jié)果。圖3給出一個(gè)單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，它具有2個(gè)輸入，每個(gè)輸入都通過一個(gè)適當(dāng)?shù)臋?quán)值w和下一層相連，網(wǎng)絡(luò)輸出可以表示為式(1)，f是表示輸入/輸出關(guān)系的傳遞函數(shù)。