一種基于三模冗余的智能復合傳感器設計

雷志東+張曉林

摘 要： 提出了一種基于三模冗余的智能復合傳感器的設計方法，能對環境溫度、相對濕度與絕對壓力進行測量。為了提高測量的精度，延長產品的壽命，傳感器采集的環境參量均從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據，實現三模冗余，使得即使有一個敏感元件失效，所設計的傳感器依然能正常工作并且能上報故障狀態，極大地提高了傳感器的可靠性與使用壽命。經過試驗，設計的傳感器在-40～85 ℃的環境中，溫度采集精度優于0.5 ℃，相對濕度采集精度優于3%，絕對壓力采集精度優于0.1 kPa。該型復合傳感器現已完成樣機試制，具有重要工程應用價值。

關鍵詞： 傳感器； 環境參數； 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

現代武器系統裝備對環境參數的監測提出了更高的要求，其監測通常使用傳感器完成，傳統的傳感器通常只對單一參數進行測量，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計方法。隨著集成電路的發展，目前傳感器正向著數字化，高集成化和智能化發展，一個傳感器能同時對多種環境參數進行測量，文獻[7?8]提出了一種智能復合傳感器設計方法，能同時對流量、壓力和溫度進行測量。文獻[9]提出智能傳感器應當具有自確認功能，能在傳感器發生故障時不向外輸出錯誤數據。

本文設計了一種基于三模冗余的智能復合傳感器，它能對環境的溫度、濕度和壓力進行測量，并且每種環境參數均從三個敏感元件獲得，通過內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故障，復合傳感器依然能正常工作且能將故障狀態上報，從而提高了傳感器的可靠性與使用壽命，按照本文方法設計的復合傳感器現已完成樣機試制，并已具備工程應用條件。

1 整體硬件設計

1.1 方案設計

復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，對環境的溫度、濕度和壓力信號進行采集，然后通過數字接口將采集后的信號輸出到主控制器。主控制器將數字化的壓力、溫度和濕度進行接收傳入到客戶端。

圖1 復合傳感器硬件原理框圖

供電模塊用于產生復合傳感器所需要的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定。

主控制器用于對所有的數字器件進行控制，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，用戶可以接收復合傳感器傳輸來的環境參數，進行顯示與存儲。

1.2 主要器件選型

本產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?？紤]到體積與功耗，本產品選用數字化的溫度、濕度與壓力敏感器件，而且為了延長產品壽命，提高采集的環境參數的準確度，該產品內集成3個溫濕度傳感器和3個壓力傳感器，能夠同時對環境的溫度、壓力和濕度進行采集。

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

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 ℃，內部PROM中存有校準系數，能夠對測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。

考慮到內部邏輯資源數量以及器件工作環境要求，本產品中的CPLD選用Altera公司EPM2210F256I5N，該款CPLD能在-40～125 ℃溫度范圍內穩定工作，具有2 210個可編程邏輯單元用于數字處理。

1.3 結構設計

本文設計的傳感器整體結構如圖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，與外界環境接觸，采集環境的溫度、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，對采集的數據進行優選與補償，并完成跟外部接口的控制。

圖2 傳感器整體結構設計

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 數字邏輯設計

2.1 數字邏輯整體設計

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

CPLD內部邏輯功能框圖如圖3所示。

圖3 CPLD內部邏輯框圖

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，并將采集的數據以并行的方式傳遞給后級模塊。

核心控制模塊用于跟協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據，并發送給后級模塊。

時鐘模塊用于產生其他模塊需要的時鐘，時鐘共3個頻率，內部數據處理的主時鐘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。

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

2.2 核心控制模塊的設計

核心控制模塊是整個數字邏輯的調度模塊，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系如圖4所示。

圖4 核心控制模塊與其他模塊邏輯關系

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送采集指令，給協議解析與生成模塊發送發送指令。在這些指令的控制下，壓力采集模塊每秒會完成1次采集，將采集的數據輸出后會向核心控制模塊報告采集已經完成的狀態。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控制模塊的采集指令，只有在上一次采集完成后才會響應新的采集指令，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。協議解析與生成模塊收到控制模塊發出的指令后會生成數據幀并通過串口向外發出。

壓力采集模塊與溫濕度采集模塊的狀態輸出用于核心控制模塊對傳感器的工作狀態進行判斷，并控制協議解析與生成模塊在數據幀中生成相應的狀態字。

2.3 三模冗余與智能判讀設計

在核心控制模塊的調度下，每一秒協議解析與生成模塊都需要根據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據生成向外發送的數據幀。同時，該模塊需要對前端輸入的三組壓力數據，三組溫度數據以及三組濕度數據進行優選。優選的原則為去除三組數據中偏離平均值較大的數值，然后對剩下的兩個數據求平均，并將其作為優選值輸出。

以其中一種環境參數的三組數據為例，其優選的邏輯電路圖如圖5所示。

圖5 數據優選邏輯電路圖

圖5中三組輸入量分別記為[A，B]和[C]經過求和后分別與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 試驗結果

按照本文方案，設計生產了樣品，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%，試驗結果見表1，表2。

表1 壓力精度試驗測試數據 kPa

[測試壓力＼&優選壓力＼&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境參數以及經過優選后的環境參數。從試驗數據可以看出，本產品的環境壓力采集精度優于0.1 kPa，環境溫度采集精度優于0.5 ℃，環境相對濕度采集精度優于3%。此外，從表中還可以看出，優選后的環境參數達到了預期目標，實現了對3個環境參數進行智能判斷的功能，能在單個敏感元件出現故障或誤差較大時，保證優選后的環境參數依然準確，從而延長了產品的壽命，提高了產品的采集精度。

4 結 論

本文設計了一種基于三模冗余的溫度濕度壓力智能復合傳感器，該傳感器采集的每一種環境參數均從三個敏感器件獲得，并通過傳感器中的處理器對數據進行智能判讀，去除誤差較大或者錯誤的數值，提高了采集精度，而且即使有一個敏感元件出現故障，復合傳感器依然能輸出正確的環境參數，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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