一種基于三模冗余的智能復(fù)合傳感器設(shè)計

雷志東+張曉林

摘 要： 提出了一種基于三模冗余的智能復(fù)合傳感器的設(shè)計方法，能對環(huán)境溫度、相對濕度與絕對壓力進行測量。為了提高測量的精度，延長產(chǎn)品的壽命，傳感器采集的環(huán)境參量均從3個敏感元件獲得，并通過智能處理器對其進行智能判讀，剔除誤差較大或錯誤的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)三模冗余，使得即使有一個敏感元件失效，所設(shè)計的傳感器依然能正常工作并且能上報故障狀態(tài)，極大地提高了傳感器的可靠性與使用壽命。經(jīng)過試驗，設(shè)計的傳感器在-40～85 ℃的環(huán)境中，溫度采集精度優(yōu)于0.5 ℃，相對濕度采集精度優(yōu)于3%，絕對壓力采集精度優(yōu)于0.1 kPa。該型復(fù)合傳感器現(xiàn)已完成樣機試制，具有重要工程應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞： 傳感器； 環(huán)境參數(shù)； 三模冗余； 智能判讀

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）03?0080?04

Design of an intelligent composite sensor based on triple modular redundancy

LEI Zhi?dong1，2， ZHANG Xiao?lin1

（1. School of Electronic and Information Engineering， Beihang University， Beijing 100191， China；

2. Tianjin Bureau of Naval Equipment Ministry， Tianjin 300061， China）

Abstract： A design method of intelligent composite sensor based on triple modular redundancy is proposed， which can measure environmental temperature， relative humidity and absolute pressure. In order to improve the measuring accuracy and extend the product life， the environment parameters are all obtained from three sensitive elements. An intelligent interpretation method is also presented to eliminate error or incorrect data， to realize triple module redundancy， so that even one sensitive component is broken， the sensor can still work normally and the fault state can be reported. Consequently， the reliability and service life of the sensor is greatly improved. Through testing， the designed sensor can work in temperature environment of -40～85 ℃， and the temperature acquisition accuracy is better than 0.5 ℃， the relative humidity accuracy is better than 3%， and the absolute pressure accuracy is better than 0.1 kPa. The compound sensor has been manufactured， which has important application value in the engineering field.

Keywords： sensor； environmental parameters； triple model redundancy； intelligent interpretation

0 引 言

現(xiàn)代武器系統(tǒng)裝備對環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測提出了更高的要求，其監(jiān)測通常使用傳感器完成，傳統(tǒng)的傳感器通常只對單一參數(shù)進行測量，文獻[1?5]提出了提高壓力傳感器測量精度的方法，文獻[6]提出了一種溫濕度傳感器的設(shè)計方法。隨著集成電路的發(fā)展，目前傳感器正向著數(shù)字化，高集成化和智能化發(fā)展，一個傳感器能同時對多種環(huán)境參數(shù)進行測量，文獻[7?8]提出了一種智能復(fù)合傳感器設(shè)計方法，能同時對流量、壓力和溫度進行測量。文獻[9]提出智能傳感器應(yīng)當具有自確認功能，能在傳感器發(fā)生故障時不向外輸出錯誤數(shù)據(jù)。

本文設(shè)計了一種基于三模冗余的智能復(fù)合傳感器，它能對環(huán)境的溫度、濕度和壓力進行測量，并且每種環(huán)境參數(shù)均從三個敏感元件獲得，通過內(nèi)部處理器的智能判讀，減小采集誤差，即使單個敏感元件出現(xiàn)故障，復(fù)合傳感器依然能正常工作且能將故障狀態(tài)上報，從而提高了傳感器的可靠性與使用壽命，按照本文方法設(shè)計的復(fù)合傳感器現(xiàn)已完成樣機試制，并已具備工程應(yīng)用條件。

1 整體硬件設(shè)計

1.1 方案設(shè)計

復(fù)合傳感器主要由壓力傳感器、溫濕度傳感器、主控制器和供電模塊等部分組成。其硬件原理框圖如圖1所示。

圖1中壓力傳感器組和溫濕度傳感器組在主控制器的控制下，對環(huán)境的溫度、濕度和壓力信號進行采集，然后通過數(shù)字接口將采集后的信號輸出到主控制器。主控制器將數(shù)字化的壓力、溫度和濕度進行接收傳入到客戶端。

圖1 復(fù)合傳感器硬件原理框圖

供電模塊用于產(chǎn)生復(fù)合傳感器所需要的3.3 V和1.8 V的電壓，供電模塊為寬壓輸入模塊，可承受20～30 V的輸入電壓而保持輸出電壓穩(wěn)定。

主控制器用于對所有的數(shù)字器件進行控制，包括控制壓力傳感器組和溫濕度傳感器組進行采集，以及與客戶端進行通信。

通過客戶端的操作界面，用戶可以接收復(fù)合傳感器傳輸來的環(huán)境參數(shù)，進行顯示與存儲。

1.2 主要器件選型

本產(chǎn)品中最主要的器件為壓力敏感元件、溫濕度敏感元件以及主控制器。考慮到體積與功耗，本產(chǎn)品選用數(shù)字化的溫度、濕度與壓力敏感器件，而且為了延長產(chǎn)品壽命，提高采集的環(huán)境參數(shù)的準確度，該產(chǎn)品內(nèi)集成3個溫濕度傳感器和3個壓力傳感器，能夠同時對環(huán)境的溫度、壓力和濕度進行采集。

為便于進行數(shù)字處理，本產(chǎn)品中的控制器選用可編程邏輯器件CPLD實現(xiàn)，CPLD一方面完成對外圍數(shù)字器件的控制，另一方面完成對多個傳感器采集的結(jié)果進行優(yōu)選和處理的功能。

壓力傳感器采用美國MEAS公司的MS5803?02BA貼片型數(shù)字壓力傳感器。MS5803?02BA是一款具有SPI和I2C總線接口的高分辨率高度精度低功耗傳感器，其壓力測量范圍是1～200 kPa，工作溫度范圍為-40～85 ℃，內(nèi)部PROM中存有校準系數(shù)，能夠?qū)y到的溫度和壓力進行補償。

溫度濕度傳感器采用SENSIRION公司的貼片型數(shù)字溫濕度傳感器SHT15。SHT15包括一個電容性聚合體測濕敏感元件和一個用能隙材料制成的測溫元件，具有體積小、響應(yīng)迅速、抗干擾能力強的特點。SHT15具有I2C總線接口，其溫度測量范圍是-40～123.8 ℃，相對濕度測量范圍為0～100% RH。

考慮到內(nèi)部邏輯資源數(shù)量以及器件工作環(huán)境要求，本產(chǎn)品中的CPLD選用Altera公司EPM2210F256I5N，該款CPLD能在-40～125 ℃溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，具有2 210個可編程邏輯單元用于數(shù)字處理。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的傳感器整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，傳感器包括主控腔體和傳感器腔體兩個組成部分。傳感器腔體中安裝敏感元件，與外界環(huán)境接觸，采集環(huán)境的溫度、相對濕度與絕對壓力。主控腔體中安裝主處理器，用于對敏感元件進行控制，對采集的數(shù)據(jù)進行優(yōu)選與補償，并完成跟外部接口的控制。

圖2 傳感器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到氣密性與防水性要求，傳感器腔體與主控腔體相互隔離，敏感元件與主處理器通過軟線電纜連接，并使用固封膠將連接通道密封。

2 數(shù)字邏輯設(shè)計

2.1 數(shù)字邏輯整體設(shè)計

在本產(chǎn)品中，主控制器選用可編程邏輯器件CPLD來實現(xiàn)。通過硬件描述語言對CPLD需要完成的邏輯功能進行描述，CPLD便能實現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)字邏輯功能。

CPLD內(nèi)部邏輯功能框圖如圖3所示。

圖3 CPLD內(nèi)部邏輯框圖

圖3中壓力傳感器控制模塊與溫濕度傳感器控制模塊分別用于跟壓力傳感器組和溫濕度傳感器組進行接口，以I2C接口的形式順序地對傳感器進行控制，并將采集的數(shù)據(jù)以并行的方式傳遞給后級模塊。

核心控制模塊用于跟協(xié)議解析與生成模塊進行接口，將串口接收的控制指令解析生成傳感器控制信號傳給壓力和溫濕度傳感器控制模塊，同時，核心控制模塊接收壓力和溫濕度傳感器組傳回的采集數(shù)據(jù)，并發(fā)送給后級模塊。

時鐘模塊用于產(chǎn)生其他模塊需要的時鐘，時鐘共3個頻率，內(nèi)部數(shù)據(jù)處理的主時鐘5 MHz，I2C接口（包括壓力傳感器，溫濕度傳感器和存儲器接口）的80 kHz和串口模塊的9 600 Hz。

串口發(fā)送與接收模塊用于和用戶端進行接口，接收客戶端發(fā)出的控制指令與將采集的環(huán)境參數(shù)發(fā)送回電腦客戶端，串口的通信格式為9 600，N，8，1。

2.2 核心控制模塊的設(shè)計

核心控制模塊是整個數(shù)字邏輯的調(diào)度模塊，用于控制整個采集流程，核心控制模塊與其他模塊的邏輯關(guān)系如圖4所示。

圖4 核心控制模塊與其他模塊邏輯關(guān)系

核心控制模塊中有一個秒定時器，每秒給壓力采集模塊和溫濕度采集模塊發(fā)送采集指令，給協(xié)議解析與生成模塊發(fā)送發(fā)送指令。在這些指令的控制下，壓力采集模塊每秒會完成1次采集，將采集的數(shù)據(jù)輸出后會向核心控制模塊報告采集已經(jīng)完成的狀態(tài)。溫濕度采集模塊1次采集的時間為2～4 s左右，因此，溫濕度采集模塊不會每次響應(yīng)控制模塊的采集指令，只有在上一次采集完成后才會響應(yīng)新的采集指令，同樣地，溫濕度采集模塊在每次采集完成后也會向控制模塊報告狀態(tài)。協(xié)議解析與生成模塊收到控制模塊發(fā)出的指令后會生成數(shù)據(jù)幀并通過串口向外發(fā)出。

壓力采集模塊與溫濕度采集模塊的狀態(tài)輸出用于核心控制模塊對傳感器的工作狀態(tài)進行判斷，并控制協(xié)議解析與生成模塊在數(shù)據(jù)幀中生成相應(yīng)的狀態(tài)字。

2.3 三模冗余與智能判讀設(shè)計

在核心控制模塊的調(diào)度下，每一秒?yún)f(xié)議解析與生成模塊都需要根據(jù)前端壓力傳感器控制模塊以及溫濕度傳感器控制模塊采集到的數(shù)據(jù)生成向外發(fā)送的數(shù)據(jù)幀。同時，該模塊需要對前端輸入的三組壓力數(shù)據(jù)，三組溫度數(shù)據(jù)以及三組濕度數(shù)據(jù)進行優(yōu)選。優(yōu)選的原則為去除三組數(shù)據(jù)中偏離平均值較大的數(shù)值，然后對剩下的兩個數(shù)據(jù)求平均，并將其作為優(yōu)選值輸出。

以其中一種環(huán)境參數(shù)的三組數(shù)據(jù)為例，其優(yōu)選的邏輯電路圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)優(yōu)選邏輯電路圖

圖5中三組輸入量分別記為[A，B]和[C]經(jīng)過求和后分別與3倍的[A，B]和[C]做減法，等效得到平均值與每個輸入值的差值，然后經(jīng)過比較器（圖中的兩個MAX）得到偏離平均值最大的輸入量，依此作為選擇器的輸入，如果輸入量[A]偏離最大，則輸出[（B+C）2，]依次類推。

3 試驗結(jié)果

按照本文方案，設(shè)計生產(chǎn)了樣品，并進行了壓力、溫度和濕度的精度試驗，壓力的測試范圍是80～150 kPa，溫度的測試范圍是-40～85 ℃，相對濕度的測試范圍是20%～90%，試驗結(jié)果見表1，表2。

表1 壓力精度試驗測試數(shù)據(jù) kPa

[測試壓力＼&優(yōu)選壓力＼&壓力1＼&壓力2＼&壓力3＼&參考壓力＼&80＼&80.000＼&79.936＼&80.000＼&80.000＼&79.92＼&90＼&90.048＼&90.048＼&90.048＼&90.112＼&89.99＼&100＼&100.928＼&100.928＼&100.928＼&100.928＼&100.85＼&110＼&110.336＼&110.272＼&110.336＼&110.336＼&110.24＼&120＼&120.320＼&120.256＼&120.320＼&120.320＼&120.24＼&130＼&129.536＼&129.472＼&129.536＼&129.536＼&129.49＼&140＼&140.288＼&140.288＼&140.352＼&140.288＼&140.30＼&150＼&150.912＼&150.848＼&150.912＼&150.912＼&150.90＼&]

表1和表2中列出了從敏感元件中采集的原始環(huán)境參數(shù)以及經(jīng)過優(yōu)選后的環(huán)境參數(shù)。從試驗數(shù)據(jù)可以看出，本產(chǎn)品的環(huán)境壓力采集精度優(yōu)于0.1 kPa，環(huán)境溫度采集精度優(yōu)于0.5 ℃，環(huán)境相對濕度采集精度優(yōu)于3%。此外，從表中還可以看出，優(yōu)選后的環(huán)境參數(shù)達到了預(yù)期目標，實現(xiàn)了對3個環(huán)境參數(shù)進行智能判斷的功能，能在單個敏感元件出現(xiàn)故障或誤差較大時，保證優(yōu)選后的環(huán)境參數(shù)依然準確，從而延長了產(chǎn)品的壽命，提高了產(chǎn)品的采集精度。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種基于三模冗余的溫度濕度壓力智能復(fù)合傳感器，該傳感器采集的每一種環(huán)境參數(shù)均從三個敏感器件獲得，并通過傳感器中的處理器對數(shù)據(jù)進行智能判讀，去除誤差較大或者錯誤的數(shù)值，提高了采集精度，而且即使有一個敏感元件出現(xiàn)故障，復(fù)合傳感器依然能輸出正確的環(huán)境參數(shù)，達到三模冗余的效果，從而延長了傳感器的壽命，降低了成本。

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