油缸壓力實時監測係統的中心議題：

• 采用嵌入式傳感器實現眾多工況參數的實時在線監測
• 采用壓力傳感器器件如何實現油缸監測

油缸壓力實時監測係統的解決方案：

• 硬補償電路設計簡介
• 軟補償算法實現簡介

隨著現代科學技術的發展，特種車輛的性能越來越高
，係統構成越來越複雜

、精密
，采用嵌入式傳感器實現眾多工況參數的實時在線監測
，是未來車輛狀態監測和故障診斷係統發展的必然趨勢。同時由於車輛結構的緊湊
，要求實現小型嵌入式傳感器監測係統。否則，許多故障點無法直接監測，隻能通過測量外圍相關參數換算得到
，換算結果的正確與否不得而知
，從而可能導致更大的經濟損失。隨著微電子技術和信號處理技術的發展，使小型壓力監測係統的實現成為可能。本(ben)文(wen)采(cai)用(yong)先(xian)進(jin)的(de)壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)器(qi)件(jian)

，結(jie)合(he)精(jing)密(mi)放(fang)大(da)電(dian)路(lu)和(he)低(di)功(gong)耗(hao)高(gao)性(xing)能(neng)處(chu)理(li)器(qi)，構(gou)成(cheng)嵌(qian)入(ru)式(shi)特(te)種(zhong)車(che)輛(liang)行(xing)星(xing)變(bian)速(su)機(ji)構(gou)操(cao)縱(zong)壓(ya)力(li)實(shi)時(shi)監(jian)測(ce)係(xi)統(tong)，並(bing)通(tong)過(guo)測(ce)量(liang)電(dian)路(lu)和(he)補(bu)償(chang)算(suan)法(fa)的(de)綜(zong)合(he)應(ying)用(yong)，實(shi)現(xian)了(le)監(jian)測(ce)係(xi)統(tong)的(de)高(gao)精(jing)度(du)誤(wu)差(cha)補(bu)償(chang)。

1 嵌入式壓力監測係統軟硬補償方法實現

1.1 壓力監測係統簡介
特種車輛的行星變速機構位於綜合傳動裝置大箱體內，周圍空間狹小而且部分浸泡在潤滑油中，溫度高達135 ℃。通tong過guo論lun證zheng，選xuan擇ze一yi種zhong小xiao型xing隔ge離li膜mo片pian式shi壓ya力li傳chuan感gan器qi
，並bing將jiang其qi安an裝zhuang在zai油you缸gang附fu件jian的de油you道dao上shang，通tong過guo精jing密mi儀yi表biao放fang大da器qi將jiang信xin號hao放fang大da後hou，采cai用yong高gao有you效xiao位wei的de模mo數shu轉zhuan換huan器qi（ADC）將其量化，並用ATMEL公司的AVR係列微控製器（MCU）完成數據處理，再通過CAN2.0總線將處理結果提供給操作人員
，以達到保護車輛綜合傳動裝置的目的。係統原理框圖如圖1所示。

由於係統工作溫度範圍比較寬(-20 ℃~135 ℃)，因(yin)此(ci)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)對(dui)係(xi)統(tong)的(de)測(ce)量(liang)誤(wu)差(cha)影(ying)響(xiang)最(zui)大(da)，本(ben)文(wen)著(zhe)重(zhong)研(yan)究(jiu)並(bing)實(shi)現(xian)了(le)由(you)於(yu)溫(wen)度(du)漂(piao)移(yi)引(yin)起(qi)的(de)測(ce)量(liang)誤(wu)差(cha)的(de)補(bu)償(chang)處(chu)理(li)方(fang)法(fa)。整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)補(bu)償(chang)方(fang)法(fa)包(bao)括(kuo)電(dian)路(lu)硬(ying)補(bu)償(chang)和(he)算(suan)法(fa)軟(ruan)補(bu)償(chang)兩(liang)部(bu)分(fen)，硬(ying)補(bu)償(chang)包(bao)含(han)傳(chuan)感(gan)器(qi)本(ben)身(shen)的(de)工(gong)藝(yi)調(tiao)製(zhi)補(bu)償(chang)和(he)放(fang)大(da)電(dian)路(lu)補(bu)償(chang)；軟補償是通過在MCU內嵌入B樣條溫度補償算法來實現。

1.2 硬補償電路設計
係統采用矽壓阻式壓力傳感器
，它具有體積小、靈敏度高、分辨率高等特點，被廣泛采用。但溫度漂移是矽壓阻式傳感器的最大弱點，它包括零點溫度漂移和靈敏度溫度漂移。由於組成電橋的4個ge電dian阻zu的de阻zu值zhi不bu可ke能neng完wan全quan一yi致zhi，當dang輸shu入ru壓ya力li為wei零ling時shi，電dian橋qiao輸shu出chu不bu為wei零ling，具ju有you零ling點dian偏pian移yi。靈ling敏min度du溫wen度du漂piao移yi主zhu要yao是shi由you半ban導dao體ti材cai料liao的de壓ya阻zu係xi數shu隨sui溫wen度du的de變bian化hua而er發fa生sheng變bian化hua造zao成cheng的de，一yi般ban地di說shuo，壓ya阻zu式shi傳chuan感gan器qi的de靈ling敏min度du隨sui溫wen度du的de升sheng高gao而er下xia降jiang。

本係統選用美國某公司的小型矽壓阻式傳感器，其最大量程為300 psi(1 psi=6.895 kPa)，輸出電壓為0~100 mV，非線性度為±0.1%。chuanganqitongguoduitaocijizuoshangdehoumodianzujinxingjiguangxiuzu，shixianduichuanganqidewendubuchangjilingdianpianchatiaozheng。qineibutigongdejiguangxiuzhengdianzuyonglaitiaojiewaibufangdaqidezengyi
，congerbaozhengchuanganqi±0.1%互換性量程
，電路原理圖如圖2所示。


由於傳感器最小分辨率為微伏級，極易在傳輸和測量時產生幹擾
，造成結果失真
，因此必須采用一個高精度、高共模抑製比的測量放大電路進行小信號的放大處理。

本係統采用了具有差分輸入和閉環增益單元的儀表放大器INA128作為前端放大電路來做硬補償。儀表放大器的兩個輸入端阻抗平衡並且阻值很高，輸入偏置電流很低，並具有很低的輸出阻抗,共模抑製為100 dB
，即可將共模電平產生的任何誤差減小到100 dB。其內部結構如圖3所示，正好與圖2所示的硬補償電路中的放大器相符。

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1.3 軟補償算法實現
係統通過硬補償後，將電壓信號經24 bit量化的模數轉換器（ADC）采樣後送給MCU進行後續處理。MCU采用ATMEL公司的ATmega32
，其數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，利用MCU的數據處理能力

，實現了基於B樣條的溫漂補償處理算法。之所以采用B樣條曲線來擬合壓力傳感器的溫度係數，是因為B樣條曲線具有局部控製特性，曲線隻在改變了的控製點附近才改變形狀；並且
，B樣條曲線可以隨意增加控製點，而不提高曲線的階次
，對於不同的應用選擇控製點數，可以滿足不同的擬合要求。

樣條是一個分段多項式函數，k階(k-1次)B樣條曲線的表達式是：


當分母為零時
，定義分式的值為零。其中ti表示控製點節點值，它控製曲線形狀,節點值從t0到tn+4。在本係統中使用的是非封閉曲線，因此ti取值規則如下：


在MCU中實現基於B樣條的補償算法,考慮到B樣條為非封閉曲線，由式(4)和式(5)確定控製點的選取應多於4個。考慮到補償算法的實時性，對計算速度也提出了一定的要求，控製點也不宜太大。綜合上述原因，取n=6，對傳感器數據進行樣本采集，通過單片機進行運算
，根據B樣條曲線的計算公式
，推導控製節點值ti
，編寫3次B樣條調和函數的求解程序
，對每一個控製點計算一個補償係數C(u),並將補償係數寫入相應的Flash寄(ji)存(cun)器(qi)中(zhong)。係(xi)統(tong)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)時(shi)，通(tong)過(guo)車(che)輛(liang)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)獲(huo)得(de)壓(ya)力(li)監(jian)測(ce)係(xi)統(tong)工(gong)作(zuo)的(de)溫(wen)度(du)值(zhi)
，並(bing)讀(du)取(qu)相(xiang)應(ying)寄(ji)存(cun)器(qi)的(de)補(bu)償(chang)係(xi)數(shu)，對(dui)測(ce)量(liang)值(zhi)進(jin)行(xing)補(bu)償(chang)
，即(ji)可(ke)得(de)到(dao)經(jing)過(guo)校(xiao)正(zheng)以(yi)後(hou)的(de)壓(ya)力(li)輸(shu)出(chu)。

2 軟

、硬補償方法實驗結果

實驗時
，將壓力傳感器置於150 psi恒壓環境下，對壓力傳感器信號經放大後的輸出電壓進行測量。如果係統不受溫漂影響的話，理論上輸出電壓應穩定在2.5 V。在不同溫度下經硬補償後實測數據如表1所示。


按照表1中的數據作一條曲線，與理想輸出比較，如圖4suoshi。mingxiankeyikandao，shuchusuiwendudebianhuachengxiandebushiyitiaozhixian，ershifeixianxingdebianhua，shuomingtongguoqianmianyingbuchanghou
，suiranfeixianxingkexianzhizaimanliangchengde0.1%內，對於精度要求高的係統還是不滿足要求,需進一步做軟補償。


硬補償後的數據在MCU內再使用B樣條軟補償算法進行校正
，校正後的結果如表2所示。


由表2可知，係統在經過軟補償後，7個溫度點的測量值與理論值相比
，誤差小了很多，與隻進行硬補償相比
，誤差可減小到1/5左右
，軟、硬補償後誤差曲線如圖5所示。


本ben文wen著zhe重zhong研yan究jiu了le對dui於yu新xin型xing特te種zhong車che輛liang中zhong高gao精jing度du壓ya力li監jian測ce係xi統tong的de溫wen漂piao誤wu差cha補bu償chang方fang法fa。與yu傳chuan統tong方fang法fa相xiang比bi，本ben方fang法fa主zhu要yao特te點dian是shi采cai用yong了le硬ying補bu償chang和he軟ruan補bu償chang結jie合he的de方fang式shi。硬ying補bu償chang包bao含han傳chuan感gan器qi本ben身shen的de工gong藝yi調tiao製zhi補bu償chang和he放fang大da電dian路lu補bu償chang；軟補償是通過在MCU內嵌入B樣(yang)條(tiao)曲(qu)線(xian)擬(ni)合(he)進(jin)行(xing)溫(wen)度(du)補(bu)償(chang)。與(yu)其(qi)他(ta)方(fang)法(fa)相(xiang)比(bi)，本(ben)方(fang)法(fa)易(yi)於(yu)實(shi)現(xian)

，擬(ni)合(he)誤(wu)差(cha)小(xiao)，使(shi)係(xi)統(tong)的(de)精(jing)度(du)得(de)到(dao)較(jiao)大(da)的(de)提(ti)高(gao)
，並(bing)提(ti)高(gao)了(le)係(xi)統(tong)的(de)魯(lu)棒(bang)性(xing)和(he)穩(wen)定(ding)性(xing)。該(gai)係(xi)統(tong)已(yi)經(jing)在(zai)某(mou)樣(yang)車(che)中(zhong)試(shi)用(yong)，運(yun)行(xing)狀(zhuang)況(kuang)良(liang)好(hao)
，補(bu)償(chang)精(jing)度(du)高(gao)，具(ju)有(you)很(hen)好(hao)的(de)推(tui)廣(guang)應(ying)用(yong)價(jia)值(zhi)。