基于dsp的自确认压力传感器硬件系统设计

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文何时刻都有输出值，即使在传感器出现故障的情况下，也要给出测量真实值的估计值。因此，要确定传感器的输出值是在怎样的工作状态下获得的：是在正常工作状态下，还是在故障状态下得到的。一般传感器的状态分为以下五种：安全状态（Secure），清晰状态（Clear），模糊状态（Blurred），迷惑状态（Dazzled），盲状态（Blind）。（4）其他输出参数根据实际要求，自确认传感器还可以输出原始测试数据（未经数据恢复的数据）和传感器的故障类型等。1.2.2自确认传感器的研究现状自确认传感器融合了计算机技术、故障

2、诊断和信号处理技术、数据重构技术、计量学等多门学科的知识和技术。下面分三个方面介绍一下自确认传感器的研究现状。1.2.2.1传感器故障诊断技术和信号恢复方法传感器故障检测和信号恢复方法归纳起来主要有以下几种：（1）硬件冗余法硬件冗余法就是采用两个以上的传感器测量同一个物理量，对每个传感[3]器输出进行一致性比较，然后通过表决的方式确定哪个传感器发生故障。这种方法简单易行，但是系统硬件成本比较高。（2）解析冗余法这种方法利用传感器之间的关联关系实现传感器的故障检测和信号恢[4][5][6][7]复，主要包括多传感器冗余法和传感器模型法

3、。多传感器冗余法是利用多个传感器之间的关联关系进行传感器故障诊断和数据恢复，主要有主元分析、神经网络、模糊逻辑等方法。传感器模型法是首先建立传感器的数学模型，将传感器的实际输出与根据模型导出的理想输出进行比较，当二者之差大于事先设定的阈值时，表明传感器出现了故障，否则说明传感器处于正常状态。这种方法的缺点在于传感器数学模型的建立比较困难。（3）基于知识的故障诊断方法基于知识的故障诊断方法是借助传感器的先验知识，收集领域专家知识或总结、归纳出各种故障模式，再利用这些知识或故障模式，在计算机上建[8]立相应的诊断系统。基于知识的故障诊断

4、方法主要有专家系统法和神经网-3-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文络法。这种方法的缺点在于知识的获取比较困难，同时不能对未纳入故障模式中的新故障进行诊断，并且很难恢复故障传感器的信号。（4）小波分析法小波分析法是一种基于传感器输出信号分析的非模型化故障诊断方法。小波变换在时域和频域都可以对信号进行多尺度分析，具有表征信号局部特征的能力。由于小波分析法具有这些特点，所以被广泛应用于传感器故障检[9][10]测中，可以避免解析冗余法的一些缺陷。除了以上方法，Moran等人还研究了概率估计算法在自确认传感器中的[11]应用，并用热电偶传感器

5、的数据进行了验证。1.2.2.2自确认传感器的硬件和软件结构自确认传感器的软硬件结构主要有以下几种：（1）PC（PersonalComputer）+数据采集卡这是第一代自确认传感器所采用的结构。这种结构通过数据采集卡将传感器原始数据输入PC机，然后，开发者在PC机上编制相应的实现“自确[12]认”功能的软件。JaniceC.-Y开发的自确认热电偶温度传感器以及[7]Clarke和Fraher开发的自确认溶解氧传感器，采用的就是这样的结构。这种结构的优点是结构简单，软、硬件资源丰富；缺点是体积较大，结构不灵活，同时，系统的实时性较差。

6、（2）专用硬件平台这种结构针对特定的应用场合，因而具有固定的结构。如P.Hector及Plenta等人开发的基于摩托罗拉MEK6809D4/MEK6809KPD微机系统的自确认[13]传感器硬件结构，拥有8路8位A/D转换，可实现各种信号之间的通讯。这样的硬件结构体积小、轻便、适于现场使用，但其通用性差，难以扩展应用到其它类型的传感器上。再比如Wilson等人开发的通用传感器接口[14]芯片(USIC)，采用RISC处理器，可实现2路A/D、D/A转换，带有RS-485通讯接口。这样的硬件结构具有价格低廉的优点，但同样存在通用性差的

7、缺点，要想改变或增加功能是都必须重新设计硬件结构。（3）基于可编程器件的通用硬件平台为克服专用硬件平台通用性差的缺点，可编程逻辑器件在自确认传感器的硬件结构中得到广泛应用。牛津大学的控制工程研究室和计算实验室联合[15][16]设立了Valcard研究项目，主要研究开发基于现场可编程逻辑门阵列（FieldProgrammableGateArray,FPGA）的自确认传感器通用硬件结构。由于在FPGA中，硬件功能可以通过软件编程实现，因而可以像软件开-4-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文发一样去设计所需要的硬件功能，大大增强了硬件结构的

8、灵活性。这种硬件结构体积小、轻便，非常适合于商业化。Valcard项目组开发出两种基于现[15][16]场可编程逻辑门阵列（FPGA）的自确认传感器硬件结构，并应用于自确认热电偶温度传感器、自确认溶解氧传感器和自确认数字式科里奥利流量