汽车压力监测系统软硬补偿设计

发表于 2018-03-29 13:07:00 收藏 已收藏
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汽车压力监测系统软硬补偿设计

发表于 2018-03-29 13:07:00
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随着现代科学技术的发展,特种车辆的性能越来越高,系统构成越来越复杂、精密,采用嵌入式传感器实现众多工况参数的实时在线监测,是未来车辆状态监测和故障诊断系统发展的必然趋势[1]。同时由于车辆结构的紧凑,要求实现小型嵌入式传感器监测系统。否则,许多故障点无法直接监测,只能通过测量外围相关参数换算得到,换算结果的正确与否不得而知,从而可能导致更大的经济损失。随着微电子技术和信号处理技术的发展,使小型压力监测系统的实现成为可能。本文采用先进的压力传感器器件,结合精密放大电路和低功耗高性能处理器,构成嵌入式特种车辆行星变速机构操纵压力实时监测系统,并通过测量电路和补偿算法的综合应用,实现了监测系统的高精度误差补偿。

1 嵌入式压力监测系统软硬补偿方法实现

1.1 压力监测系统简介

特种车辆的行星变速机构位于综合传动装置大箱体内,周围空间狭小而且部分浸泡在润滑油中,温度高达135 ℃。通过论证,选择一种小型隔离膜片式压力传感器,并将其安装在油缸附件的油道上,通过精密仪表放大器将信号放大后,采用高有效位的模数转换器(ADC)将其量化,并用ATMEL公司的AVR系列微控制器(MCU)[2]完成数据处理,再通过CAN2.0总线将处理结果提供给操作人员,以达到保护车辆综合传动装置的目的。系统原理框图如图1所示。

汽车压力监测系统软硬补偿设计

由于系统工作温度范围比较宽(-20 ℃~135 ℃),因此温度变化对系统的测量误差影响最大,本文着重研究并实现了由于温度漂移引起的测量误差的补偿处理方法[3]。整个系统的补偿方法包括电路硬补偿和算法软补偿两部分,硬补偿包含传感器本身的工艺调制补偿和放大电路补偿;软补偿是通过在MCU内嵌入B样条温度补偿算法来实现。

1.2 硬补偿电路设计

系统采用硅压阻式压力传感器,它具有体积小、灵敏度高、分辨率高等特点,被广泛采用。但温度漂移是硅压阻式传感器的最大弱点,它包括零点温度漂移和灵敏度温度漂移。由于组成电桥的4个电阻的阻值不可能完全一致,当输入压力为零时,电桥输出不为零,具有零点偏移。灵敏度温度漂移主要是由半导体材料的压阻系数随温度的变化而发生变化造成的,一般地说,压阻式传感器的灵敏度随温度的升高而下降[4]。

本系统选用美国某公司的小型硅压阻式传感器,其最大量程为300 psi(1 psi=6.895 kPa),输出电压为0~100 mV,非线性度为±0.1%。传感器通过对陶瓷基座上的厚膜电阻进行激光修阻,实现对传感器的温度补偿及零点偏差调整。其内部提供的激光修正电阻用来调节外部放大器的增益,从而保证传感器±0.1%互换性量程,电路原理图如图2所示。

汽车压力监测系统软硬补偿设计

由于传感器最小分辨率为微伏级,极易在传输和测量时产生干扰,造成结果失真,因此必须采用一个高精度、高共模抑制比的测量放大电路进行小信号的放大处理。

本系统采用了具有