CN1195204C - 传感器动态非线性实时校正系统 - Google Patents

Abstract

一种以数字信号处理器DSP为核心，具有动态非线性实时校正功能的传感器信号处理系统。由DSP、模拟输入通道、模拟输出通道、逻辑控制电路、FLASH、串行接口电路以及相应的软件组成。它可以对传感器的动态非线性响应信号进行实时校正。当传感器的动态非线性特性用Hammerstein模型描述时，动态非线性校正的顺序是先进行动态线性补偿，再进行静态非线性校正。当传感器的动态非线性特性用Wiener模型描述时，动态非线性校正的顺序是先进行静态非线性校正，再进行动态线性补偿。这样可以克服以往动态非线性校正方法的局限，可以对不同形式和不同幅度的动态非线性响应进行校正，并保证其处理的实时性。

Description

传感器动态非线性实时校正系统

技术领域

本发明涉及传感器，特别是一种以数字信号处理器DSP为核心的传感器动态非线性实时校正系统。

背景技术

随着生产和科技的发展，人们愈来愈多地要求测量动态非电量。因此，传感器动态特性的研究引起了人们的重视，并在传感器动态校正(补偿)方面取得了较大的进展。其中，合肥工业大学徐科军等研制了一种以数字信号处理器DSP为核心，具有动态解耦—补偿功能的多维力传感器的实时动态校正系统(申报中国发明专利，申请日：1999.6.4，申请号：99108264.8，2003.3.14.发出授权通知书，“多维力传感器的实时动态校正系统”)。但是，人们基本上是把传感器作为线性系统，采用线性方法对其进行动态校正。当传感器动态特性中存在非线性时，线性的校正方法就不起作用，或效果较差。为此，人们研究动态非线性校正方法。国外学者Antonio Pardo等提出基于神经元网络的非线性逆动态系统，去解决气敏传感器系统的动态非线性问题(IEEE Trans.on IM，1998，Vol.47，No.3，pp.644-651，“Nonlinear inversedynamic models of gas sensing system based on chemical sensor arrays for quantitativemeasurements”)。国内合肥工业大学徐科军等人提出用神经元网络方法校正传感器的动态非线性特性(第三届全球华人智能控制智能自动化大会论文集，2000，pp.1501-1504，合肥：中国科学技术大学出版社，“传感器动态非线性补偿的研究”)。

国内外在传感器动态非线性特性校正方面存在以下问题：

(1)国外学者提出的基于神经元网络的动态非线性校正方法，实时性很差。因为采用的是BP神经元网络，计算量大，只能适用于响应速度很慢的传感器，而且对传感器的输入信号有要求，从而使这种方法应用范围很局限。

(2)国内提出的基于函数连接型神经元网络的动态非线性校正方法，只能应用于特定形式或特定幅值的输入信号。由于非线性系统不满足齐次性和叠加性，这种方法不适用于不同幅值和不同形式的动态响应，应用范围也很局限。

发明内容

本发明的目的是提供以DSP为核心、具有实时动态非线性校正功能的传感器信号处理系统。本发明可以对传感器的1路或多路输出信号进行采样，再进行动态非线性校正，同时解决传感器中存在的动态响应速度慢和非线性的问题。

本发明为了实现发明目的，采用了如下的技术方案。该系统由模拟输入通道、DSP(例如，AD公司的DSP芯片ADSP2189M)、模拟输出通道、逻辑控制电路、闪速存储器FLASH、串行接口电路以及相应的软件组成。模拟输入通道由1个或多个(例如，2个)采样/保持器S/H、1个模拟多路开关MUX、1个放大器AMP和模/数转换器A/D组成。输出通道由多个数/模转换器D/A和多个滤波器组成。逻辑控制电路主要由译码器组成。本发明以ADSP2189M EZ-KITLITE(AD公司为ADSP2189M设计的最小系统，其中包括ADSP2189M芯片、FLASH、串行接口电路等)为核心，采用动态非线性校正算法，实时处理传感器的动态响应信号，既消除传感器的非线性，又提高传感器动态响应的快速性。

传感器的2路输出信号与本发明系统的2个采样/保持S/H的输入端相连。ADSP2189M根据采样频率控制S/H进行采样或保持。多路开关MUX对2路信号轮流切换，经放大电路AMP放大后，送模拟/数字转换器A/D处理。AMP为A/D提供最佳的输入量程。A/D的状态线BUSY脚与ADSP2189M的可编程输入、输出口(PF口)相连，ADSP2189M通过查询BUSY脚的状态来决定读数的时间。当ADSP2189M采进同一时刻的2路信号后，进行动态非线性校正，其结果由2个数字/模拟转换器D/A同时输出，滤波电路用来去除D/A转换后的毛刺。逻辑控制电路在ADSP2189M的程序控制下，决定A/D和D/A的片选状态。本发明是以校正传感器2路动态非线性响应为例，其方法和方案对校正传感器1路和3路或3路以上的动态非线性响应同样适用。

本发明的优点在于：对一些具有动态非线性特性的传感器可以分解为一个动态线性环节和静态非线性环节。基于这种分解，传感器的动态非线性模型可以由一个静态非线性环节串接一个动态线性环节来表示，称其为Hammerstein模型；或者由一个动态线性环节串接一个静态非线性环节来表示，称其为Wiener模型。即传感器的动态非线性可以由Hammerstein模型或者Wiener模型来描述。当传感器的动态非线性特性用Hammersein模型描述时，动态非线性校正的顺序是先进行动态线性补偿，再进行静态非线性校正。当传感器的动态非线性特性用Wiener模型描述时，动态非线性校正的顺序是先进行静态非线性校正，再进行动态线性补偿。这样可以克服以往动态非线性校正方法的局限，可以对不同形式和不同幅度的动态非线性响应进行校正，并保证其处理的实时性。

附图说明

图1是本发明系统的硬件框图，系统由ADSP2189M EZ-KIT LITE(或ADSP2189M、FLASH、串行接口电路等)、模拟输入通道、模拟输出通道和逻辑控制电路组成。

图2是本发明系统的采样/保持器的电路图。

图3是本发明的模拟多路开关的电路图。

图4是本发明的放大器的电路图。

图5是本发明的模/数转换器的电路图。

图6是本发明的电平转换器件的电路图。

图7是本发明的译码器的电路图。

图8是本发明的数/模转换器的电路图。

图9是本发明的滤波器的电路图。

图10是本发明的系统软件总体流程图。

图11是本发明的数据采集流程图。

图12是本发明的动态线性补偿流程图。

图13是本发明的静态非线性校正流程图。

图14是通道1的动态非线性响应。

图15是通道2的动态非线性响应。

图16是通道1的校正结果，其中，曲线1为通道1动态非线性响应，曲线2为通道1的校正结果。

图17是通道2的校正结果，其中，曲线1为通道2动态非线性响应，曲线2为通道2的校正结果。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明做详细说明。

传感器的2路输出信号连到本发明系统的2个S/H的输入端，如图2所示。LF398N的第2脚上接24k电阻和1k电位器组成直流调零电路。第6脚与第7脚之间接1个1000pF的保持电容。第8脚为采样/保持控制信号端，应该直接与ADSP2189M的可编程输入、输出口PF0相连。但是，由于ADSP2189M的IO口高电平为3.3V，而LF398N的采样高电平为5V。为了使采样/保持器能够稳定正常工作，PF0要经过74FCT164245电平转换，将高电平由3.3V提升到5V，变成cPF0。由ADSP2189M控制采样/保持状态，高电平采样，低电平保持。

2路S/H的输出端与MUX的输入端相连，如图3所示。CD4051BE是应用广泛的八选一多路选通芯片，在VDD、VSS和VEE分别接+5V、地和-5V时，允许输入信号的范围为-5V-+5V；多路信号的选通由A、B、C确定。本发明系统只用到2路，故只需要由A连接作为控制信号，B和C接地。A由PF2控制。由于CD4051逻辑高电平不低于3.5V，而ADSP2189M外接控制端口的高电平不超过3.3V，所以，ADSP2189M的PF2要由74FCT164245电平转换后，变成cPF2才能与A相连。

通过多路开关的模拟信号要经过放大，放大器的电路如图4所示。因为模拟信号的幅度在-5V-+5V之间，而选用的A/D转换器ADS7810P的输入范围为-10V-+10V，为了实现满量程转换以保证转换精度，需要外加放大器；同时，由于ADS7810P的输入阻抗较小，一般为3.1KΩ，放大器还可以起到阻抗匹配的作用。选用运算放大器LF351P，其带宽为4MHz，建立时间为2μs，误差仅为0.01％，输入阻抗10¹²Ω，这些性能指标足以满足硬件设计的要求。

经过放大的模拟信号送到A/D。为了满足实时动态校正的要求，选用ADS7810P。它是12位分辨率的A/D，转换速率1.25μs，供电电源±5V，有内部参考电压，模拟电压的输入范围是±10V，信号转换后并行输出12位二进制补码。ADS7810P的电路图如图5所示。ADS7810P的 CS与3-8译码器的Y0相连，R/ C与ADSP2189M的PF3相连。PF3只需要作为输出控制，高电平为3.3V，而ADSP2189M的逻辑控制高电平不低于2.4V即可，故PF3不需要通过74FCT164245的电平转换。当 CS有效，R/ C维持低电平至少40ns将会启动转换。A/D转换开始后 BUSY就由高电平变为低电平，经过1.25μs，转换结束，输出寄存器数据更新， BUSY重新变为高电平。在 BUSY保持低电平的时候，其他所有的转换都将无效。通过查询 BUSY管脚的状态可以确定转换是否结束，确定是否接收转换后的数据。

选用DSP作为传感器动态非线性实时校正系统的核心。DSP体积小，运算速度快，指令周期是ns级的，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动态非线性实时校正的速度要求。具体选用ADSP2189M芯片，它是16位的定点DSP，在外部37.5M赫兹晶振激励下，指令周期为13.3ns，一般来说这是相当快的指令执行速度了。芯片内部核心供电电压2.5V，其外部接口可以工作在2.5V或者3.3V。其内部含有算术逻辑单元ALU、乘法累加单元MAC、移位器SR，还有两个串口、一个定时器、两组数据地址产生器、DMA口BDMA和IDMA以及32K字的24位的程序存储器和48K字的16位数据存储器。当然，也可以采用其它系列的DSP。

ADSP2189M工作电压是2.5V，其IO口的电平可以配置在2.5V或者3.3V，不能承受高于3.6V电平的输入。系统中A/D的数据总线的高电平在5V左右，另外还有部分芯片的控制管脚，如PF0、PF2和FI等，这些控制管脚有效高电平也都在5V左右，因此3.3V的IO口不能满足系统正常工作的要求，需要加一个电平转换的芯片，实现电平的转换，同时对数据总线也起隔离作用。采用74FCT164245，其电路图如图6所示。74FCT164245是1个16位的3.3V到5V电平转换器件，由3.3V和5V双电源供电，A端与3.3V的总线相连，B端与5V的总线相连，1DIR和2DIR控制导通方向，1OE和2OE决定芯片处于导通状态还是高阻状态。ADSP2189M的数据总线的高12位与74FCT164245的B端连接，对应A端与A/D和D/A的数据总线相连接。1DIR和2DIR与DSP的PF7相连，因为74FCT164245的有效高电平只要不低于2V即可，那么对于高电平3.3V的PF7来说，完全可以满足正常工作的电平要求。而标志输入FI及可编程标志PF0和PF2也要作相应的电平转换。

用3-8译码器DM74LS138N来控制A/D和D/A的片选。因为系统中有1个A/D和2个D/A，故需要3个逻辑控制端。译码器的电路图如图7所示。地址端口A、B、C分别连接DSP的A0、A1和A2，E1接在DSP的IOMS上，E2接地，E3接电源+5V。输出端Y0接在A/D的 CS片选端，Y1和Y2分别接在2路D/A的 CS片选端。当DSP地址发生器通过地址线寻址时，IOMS同时有效，配置DSP内部的控制寄存器DM_Wait_Reg使得IOMS有效时间不少于40ns，译码器就根据A0、A1和A2的值决定控制逻辑输出。例如A0、A1和A2同时为低电平时，Y0输出低电平并一直保持，确保A/D的选中。

本发明系统中设计的模拟输出通道是为了观察和验证传感器动态非线性实时校正的效果。由于有2路输出，所以，在模拟输出通道中使用2片D/A。选用12位的D/A芯片MAX507ACNG。它是偏移二进制码数字输入，输出为电压信号，并且输出电压和参考电压有着相同的极性。数据写入时间100ns，输出建立时间5μs，满量程输出电压误差±0.2％FSR。采用-15V和+15V双电源供电，输出电压范围-5V-+5V，采用2片MAX507ACNG芯片。MAX507ACNG的电路图如图8所示。MAX507ACNG内部有两个缓冲逻辑输入：INPUTLATCH和DAC LATCH，由外部逻辑输入信号控制。 CS和 WR控制INPUT LATCH， LDAC控制DAC LATCH。两个 CS分别与3-8译码器的Y1和Y2相连， WR与DSP的 WR相连。两个 LDAC分别与DSP的PF1和PF5相连。PF1和PF5不需要通过74FCT164245进行电平转换，是因为这MAX507ACNG的输入有效高电平大于2.4V即可。当 CS和 WR同处于低电平时，INPUT LATCH随数据总线上的数据而变化， LDAC低电平时DAC LATCH随INPUTLATCH的数据而变化。在 CS有效低时， WR的上升沿使得数据总线的数据锁存到INPUTLATCH， CS和 WR保持在有效低电平的时间不小于100ns。当 CS和 WR变为高电平后， LDAC要保持低电平不小于100ns， LDAC的上升沿使得INPUT LATCH的数据锁存到DAC LATCH，并开始进行转换。

D/A的输出常掺杂高频噪声，形成毛刺。为消除毛刺要进行滤波，设计无源阻容滤波器对D/A转换的输出进行滤波，如图9所示。取R＝100Ω，C＝0.1μF，设计的滤波器的截止频率为

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

通过滤波可以消除信号传输通道内频率高于8K的噪声，但是对信号也有轻微的衰减。

系统软件总体流程图如图10所示，动态非线性实时校正主要包括数据采集、数字信号处理和模拟信号输出三个部分组成。数据采集部分的采样频率由定时器控制，采样频率的设置要满足采样定理。DSP的数字信号处理实时完成动态非线性校正，并将校正结果通过D/A输出，通过示波器察看校正的效果。

为了验证动态非线性实时校正系统的正确性，用磁带机输出已经采集的传感器动态非线性响应信号，本发明系统每采集一个点就实时处理一个点，随后由D/A输出。

信号采集部分的程序流程如图11所示。硬件设计了2路信号的采集，软件部分也针对2路信号进行处理。在一个采样周期内，控制采样/保持器首先处于采样状态，跟踪外接信号的变化，经过捕获时间延时以确保准确跟踪，然后通过控制保持；接下来分别选通2路采集的信号并分别进行A/D转换，转换的数据送给DSP处理，随后采样/保持器重新准备进入下一个采样周期。

当传感器的动态非线性特性是基于Hammerstein模型时，先对采集的数据进行动态线性动态补偿，其流程如图12所示。动态线性补偿的本质就是求解1个二阶差分方程，其表达式为

y(k)＝-a₁y(k-1)-a₂y(k-2)+b₁x(k)+b₂x(k-1)+b₃x(k-2)    (2)

动态线性补偿后的结果放在AX0寄存器，作为下一步静态非线性校正的输入。

再进行静态非线性校正，其程序流程如图13所示。静态非线性校正采用采用二分法查表。二分法是一种高效率的数据搜索方法，数据点数一般为2的高次幂。对于一个1024点的表格，对这个表格中某个数据进行搜索，最大的搜索次数为10次(2¹⁰＝1024)。系统在复位时导入内存两个表格，表格一存放源数据，表格二存放目标数据。从表格一里找出动态线性补偿后存放在AX0里的结果对应在此表格里的位置，并从表格二的相应位置找出对应的数据，也就是静态校正结果，一次查表结束。子程序以AX0输入，返回结果存放在AX1中。

构造的动态非线性信号是基于Hammerstein模型的，静态非线性环节表达式x＝u+0.5u²(u＞0)，x＝u-0.5u²(u＜0)，二阶动态线性环节的阻尼比ξ＝0.025，无阻尼震荡频率ω_n＝200(rad/s)。通道1的输出是一正向阶跃输入信号产生的动态非线性响应，通道2的输出是一负向阶跃信号的动态非线性响应，分别如图14和图15所示。

对通道1和通道2产生的信号进行动态非线性补偿，结果如图16和图17所示。从动态非线性补偿的输出可见，补偿使得信号迅速的衰减并趋于稳定。

产生的动态非线性信号衰减震荡，到达并保持在终值的±5％范围内的调节时间 $t_s=\frac{3.5}{\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_n}=\frac{3.5}{0.025\×200}=700\mathrm{ms};$ 而经过动态非线性校正后，对响应的数值分析可知，达到并保持在终态的±5％范围内的时间为15.4ms，与t_s相比，经过动态非线性校正后，响应速度大大加快。

当传感器的动态非线性特性是基于Wiener模型时，对采集的数据先进行静态非线性校正，再进行动态线性补偿。

Claims (2)

1.一种传感器动态非线性实时校正系统由多个采样/保持器S/H、1个模拟多路开关MUX、1个放大器AMP和模/数转换器A/D、1个数字信号处理器DSP、1个逻辑控制电路、多个数/模转换器D/A和滤波器、1片闪速存储器FLASH、串行接口电路以及相应的软件组成；所说的传感器的多个输出信号与多个S/H的输入端相连；所说的DSP根据采样频率控制S/H进行采样或保持；所说的MUX对多路信号轮流切换，经AMP放大后，送A/D处理；所说的AMP为A/D提供最佳的输入量程；所说的A/D的状态线BUSY脚与DSP的可编程输入、输出口相连，DSP通过查询BUSY脚的状态来决定读数的时间；当DSP采进同一时刻的多路信号后，进行动态非线性校正；其结果由多个D/A同时输出，滤波器用来去除D/A转换后的毛刺；逻辑控制电路在DSP的程序控制下，决定A/D和D/A的片选状态；其特征在于当传感器的动态非线性特性由一个静态非线性环节串接一个动态线性环节来表示，即用Hammerstein模型描述时，动态非线性校正的顺序是先进行动态线性补偿，再进行静态非线性校正。

2.一种传感器动态非线性实时校正系统由多个采样/保持器S/H、1个模拟多路开关MUX、1个放大器AMP和模/数转换器A/D、1个数字信号处理器DSP、1个逻辑控制电路、多个数/模转换器D/A和滤波器、1片闪速存储器FLASH、串行接口电路以及相应的软件组成；所说的传感器的多个输出信号与多个S/H的输入端相连；所说的DSP根据采样频率控制S/H进行采样或保持；所说的MUX对多路信号轮流切换，经AMP放大后，送A/D处理；所说的AMP为A/D提供最佳的输入量程；所说的A/D的状态线BUSY脚与DSP的可编程输入、输出口相连，DSP通过查询BUSY脚的状态来决定读数的时间；当DSP采进同一时刻的多路信号后，进行动态非线性校正；其结果由多个D/A同时输出，滤波器用来去除D/A转换后的毛刺；逻辑控制电路在DSP的程序控制下，决定A/D和D/A的片选状态；其特征在于当传感器的动态非线性特性由一个动态线性环节串接一个静态非线性环节来表示，即用Wiener模型描述时，动态非线性校正的顺序是先进行静态非线性校正，再进行动态线性补偿。

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