传感器模拟系统技术方案

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。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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。本专利技术的目的是提供以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。本专利技术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。本专利技术为了实现专利技术目的，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。本专利技术以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。本专利技术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专利技术做详细说明。附图说明图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是本专利技术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是本专利技术系统的部分硬件原理图，包括逻辑控制电路。图5是本专利技术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是本专利技术系统的软件流程图。图7是本专利技术系统的解差分方程软件流程图。图8是本专利技术系统的解非线性方程的软件流程图。图9是本专利技术系统的非线性曲线图。图10是本专利技术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，本专利技术用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/本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种传感器的模拟系统，该系统由ＤＳＰ、模拟输出通道、逻辑控制电路、ＥＰＲＯＭ、串行接口电路以及相应的软件组成，其特征在于ＤＳＰ芯片及逻辑控制电路部分和系统中的模拟输出通道、ＥＰＲＯＭ、串行接口电路相连，构成动态线性和非线性特性响应、并产生各种噪声；系统的１～８个输出端与传感器动态校正系统或流量计信号处理系统等的输入端相连；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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐科军，朱志能，陈荣保，苏建徽，刘家军，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]