基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的智能壓力傳感器研究

　　0 引言

　　隨著高性能計算機測控系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)傳感器已不再與其測控系統(tǒng)相適應(yīng)。控制系統(tǒng)要求傳感器具備較強的信息處理和自我管理能力，以實現(xiàn)信息的采集與信息的預(yù)處理，減輕控制計算機的數(shù)據(jù)處理負擔和提高整個測控系統(tǒng)的可靠性。然而計算機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)計算機測控系統(tǒng)的發(fā)展而提出的一個新的研究方向。

　　一個壓力傳感器，當壓力參量恒定而溫度變化時，其輸出值也發(fā)生改變，即這個壓力傳感器存在溫度參量的復(fù)合靈敏度。當傳感器存在復(fù)合靈敏度時，就會致使其性能不穩(wěn)定，測量精度低。多傳感器信息融合技術(shù)就是通過對多個參數(shù)的監(jiān)測并采用一定的信息處理方法來提高每一個參量的測量精度。在只要求測量一個目標參量的場合，為提高被測目標參量的測量精度，把其他參量當作干擾量，消除其影響，使每個參量測量精度都獲得提高，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

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

　　(1)傳感器輸出信號的預(yù)處理部分。主要由信號調(diào)理電路組成，包括對靜壓和溫度傳感器的恒壓源電路的設(shè)計，以及對傳感器輸出信號進行濾波放大。

　　(2)信號分析處理部分，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并完成對信號的分析處理。

　　在信號處理部分，本文著重采用ADuC812單片機設(shè)計硬件電路，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，其功能方框圖如圖2所示。由圖2可知ADuC812單片機與其他單片機不同的特點：芯片內(nèi)不僅集成了可重新編程非易失性閃速/電擦除程序存儲器的高性能8位(與8051兼容)MCU，還包含了高性能的自校準8通道ADC及2通道12位DAC;與所有8051兼容的器件一樣，對于程序和數(shù)據(jù)存儲器，ADuC812具有各自獨立的地址空間，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)閃速存儲器技術(shù)，可以向用戶提供8 KB的閃速/電擦除程序存儲器、640 KB的閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲器;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擴展提供了32條可編程的I/O線、IZC兼容的SPI和標準UART串行端口。

　　在本文中，將ADuC812單片機P1口的P1.0，P1.1和P1.2作為三路信號輸入通道。其中一路輸入溫度信號，一路輸入靜壓信號，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)測單片機是否正常工作：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，進行電平轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)和PC機的通信。本設(shè)計采用外部時鐘產(chǎn)生方式.晶體頻率為11.059 2 MHz，采用內(nèi)部基準，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芯片進行復(fù)位。硬件設(shè)計中最大的亮點是硬件電路簡潔，ADuC812單片機不用外接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/電擦除程序存儲器，調(diào)試簡單。

　　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目標參量與傳感器輸出量之問的對應(yīng)關(guān)系。與經(jīng)典傳感器一維實驗標定/校準不同的足要進行多維標定/校準實驗，通過最小二乘法原理由實驗標定/校準數(shù)據(jù)計算出回歸方程中的系數(shù)。這樣，當測得傳感器輸出值時，就可由已知系數(shù)的多維回歸方程來計算出相應(yīng)的輸入被測目標參數(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，確定檢測壓力P’和輸出U的二元輸入-輸出特性。當采集到二個傳感器的輸出值U及Ut時，代入式中就可以計算得到傳感器的被測參量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)的拓撲結(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)元負責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，負責信息變換;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給出一個單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，它具有2個輸入，每個輸入都通過一個適當?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)。