CN103644933A - 模拟量校准***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模拟量校准***，包括参数存储单元、模式判断单元、第一校准单元以及第二校准单元，其中：所述参数存储单元，用于存储用户校准参数和多组分别对应不同增益范围的出厂校准参数；所述模式判断单元，用于判断当前选择的检测规格是否满足用户校准模式；第一校准单元，用于选择用户校准参数对待检测的模拟量采样值进行校准，并将校准后的值作为检测结果输出；所述第二校准单元，用于根据采样值所处的增益范围选择一组出厂校准参数及使用选择的出厂校准参数对采样值进行校准，并将校准后的值后作为检测结果输出。本发明还提供一种对应的方法。本发明通过用户校准和出厂校准相结合，可兼顾出厂校准的准确性和用户校准的实用性。

Description

模拟量校准***及方法

技术领域

本发明涉及模拟量检测领域，更具体地说，涉及一种模拟量校准***及方法。

背景技术

模拟量采集及控制***广泛运用在工业控制的各个领域，尤其是冶金、化工、机械加工、医疗设备和电力***等。在这些领域，模拟量对测量或加工的影响非常明显，模拟量采集及控制***的好坏、运行性能的合适与否，直接影响到产品质量、运行效率等。

并且，对于工业控制领域，例如医疗设备等行业，对模拟量精度的具有较高要求，而且这些行业多采用多通道模拟量采集。但这些行业对模拟量采集的精度大多停留在0.3%左右，且这些行业或是直接采用MCU中的模拟量检测通道或是选择一款低精度的ADC芯片实现精度控制。

模拟量校准是实现模拟量高精度采集的必要手段，目前工业控制领域多采用以下3种校准方式：

（1）采用内部PGA（可编程增益放大器）校准，例如采用本身具有校准功能的PGA或集成的ADC。但该方式只针对内部PGA进行校准，而无法对产生精度误差的其他因素进行校准，所以这种校准方式很难能保证精度。

（2）根据内部基准源进行实时校准。但该种方式同样只针对内部PGA进行校准，而无法对产生精度误差的其他因素进行校准。

（3）出厂前对设备进行单增益校准。该方式虽然保证了模拟量检测的线性度，但为了提高效率只选择一个增益，因此大大降低了检测精度。

此外，为了单一提高精度也可以选择针对每个通道每个增益单独校准，但这种校准方式步骤繁琐，校准时间长，经常在校准过程中发生校准意外并导致产品失灵。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述模拟量检测精度不足或校准时间长的问题，提供一种模拟量校准***及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种模拟量校准***，包括参数存储单元、模式判断单元、第一校准单元以及第二校准单元，其中：所述参数存储单元，用于存储用户校准参数和多组分别对应不同增益范围的出厂校准参数；所述模式判断单元，用于判断当前选择的检测规格是否满足用户校准模式；第一校准单元，用于在所述模式判断单元确认满足用户校准模式时，选择用户校准参数对待检测的模拟量采样值进行校准，并将校准后的值作为检测结果输出；所述第二校准单元，用于在所述模式判断单元确认不满足用户校准模式时根据采样值所处的增益范围选择一组对应的出厂校准参数及使用所述选择的出厂校准参数对采样值进行校准，并将校准后的值后作为检测结果输出。

在本发明所述的模拟量校准***中，所述校准***包括用户参数创建单元，用于根据用户输入生成用户校准参数并存储到参数存储单元；所述模式判断单元在用户校准模式被开启且所述参数存储单元中存在与当前检测规格对应的用户校准参数时确认当前检测规格满足用户校准模式。

在本发明所述的模拟量校准***中，每一组出厂校准参数包括零点采样值、正量程点采样值和负量程点采样值；所述校准***包括出厂参数创建单元，用于分别获得多个增益范围内的零点采样值、正量程点采样值和负量程点采样值并存储到参数存储单元。

在本发明所述的模拟量校准***中，所述第二校准单元包括参数选择子单元、公式选择子单元，其中所述参数选择子单元，用于根据采样值所处的增益范围选择一组对应的出厂校准参数；所述公式选择子单元，用于在所述采样值大于或等于零点采样值时使用正向偏移公式对所述采样值进行校准、在所述采样值小于零点采样值时使用负向偏移公式对所述采样值进行校准。

在本发明所述的模拟量校准***中，所述正量程点为90%增益点、所述负量程点为-90%增益点；

所述正向偏移公式为： $Y=(Y1-\mathrm{MidSamp})*\frac{a}{\mathrm{PosSamp}-\mathrm{MidSamp}};$

所述负向偏移公示为： $Y=(Y2-\mathrm{MidSamp})*\frac{a}{\mathrm{MidSamp}-\mathrm{NegSamp}};$

其中Y为校准值，Y1、Y2为当前采样值，NegSamp为正量程点采样值，MidSamp为零点采样值，PosSamp为负量程点采样值，a为最大检测结果。

本发明还提供一种模拟量校准方法，包括以下步骤：

（a）读取模拟量采样值并读取用户选择的检测规格；

（b）判断当前检测规格是否满足用户校准模式，若是则执行步骤（c），否则执行步骤（d）；

（c）选择用户校准参数对所述采样值校准，并将校准后的值作为检测结果输出；

（d）根据采样值所处的增益范围选择一组对应的出厂校准参数及使用选择的出厂校准参数对采样值校准，并将校准后的值作为检测结果输出。

在本发明所述的模拟量校准方法中，在所述步骤（a）之前包括：根据用户输入生成用户校准参数并存储；所述步骤（b）中，在用户校准模式被开启且当前检测规格下存在用户校准参数时确认当前检测规格满足用户校准模式。

在本发明所述的模拟量校准方法中，每一组出厂校准参数包括零点采样值、正量程点采样值和负量程点采样值；所述步骤（a）之前包括分别获得多个增益范围内的零点采样值、正量程点采样值和负量程点采样值并存储。

在本发明所述的模拟量校准方法中，所述步骤（d）中使用选择的出厂校准参数对采样值校准步骤包括：

（d1）判断所述采样值是否大于零点采样值，若大于或等于零点采样值则执行步骤（d2），否则执行步骤（d3）；

（d2）使用正向偏移公式对所述采样值进行校准；

（d3）使用负向偏移公式对所述采样值进行校准。

在本发明所述的模拟量校准方法中，所述正量程点为90%增益点、所述负量程点为-90%增益点，

所述正向偏移公式为： $Y=(Y1-\mathrm{MidSamp})*\frac{a}{\mathrm{PosSamp}-\mathrm{MidSamp}};$

所述负向偏移公示为： $Y=(Y2-\mathrm{MidSamp})*\frac{a}{\mathrm{MidSamp}-\mathrm{NegSamp}};$

其中Y为校准值，Y1、Y2为当前采样值，NegSamp为正量程点采样值，MidSamp为零点采样值，PosSamp为负量程点采样值，a为最大检测结果。

本发明的模拟量校准***及方法，通过用户校准和出厂校准相结合，可兼顾出厂校准的准确性和用户校准的实用性。并且本发明中的出厂校准采用以增益为单位的三点校准模式，提高了检测精度，使精度能够达到0.01%。

附图说明

图1是本发明模拟量校准***第一实施例的示意图。

图2是本发明模拟量校准***第二实施例的示意图。

图3是三点校准模式的示意图。

图4是本发明模拟量校准方法实施例的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，是本发明模拟量校准***第一实施例的示意图，该校准***可应用于工业控制设备中，用于对采集的模拟量进行校准后输出。本实施例中的校准***包括参数存储单元11、模式判断单元12、第一校准单元13以及第二校准单元14，上述参数存储单元11、模式判断单元12、第一校准单元13以及第二校准单元14可由运行于工业控制设备中的软件实现，也可由独立于工业控制设备的硬件和软件实现。

上述参数存储单元11用于存储用户校准参数和多组分别对应不同增益范围的出厂校准参数，其中用户校准参数由用户自行根据工业控制设备的使用现场的实际情况输入；出厂校准参数则由生产厂家在设备出厂时创建。在上述参数存储单元11中也可包括多组用户校准参数，且每一组用户校准参数对应一个检测规格，即用户可针对不同检测规格设置校准数据。

模式判断单元12用于判断当前选择的检测规格（即用户通过按键或拨轮等输入设备选择的测量档位）是否满足用户校准模式。具体地，该模式判断单元12在用户校准模式被开启（可通过工业控制设备上的键盘等输入设备开启用户校准模式）且参数存储单元11中存在与当前检测规格对应的用户校准参数时，确认当前检测规格满足用户校准模式。

第一校准单元13用于在模式判断单元12确认当前检测规格满足用户校准模式时，选择参数存储单元11中当前检测规格对应的的用户校准参数对待检测的模拟量采样值校准，并将校准后的数据作为检测结果输出。

第二校准单元14用于在模式判断单元12确认不满足用户校准模式时根据采样值所处的增益范围选择一组对应的出厂校准参数并使用选择的出厂校准参数对待检测的模拟量采样值校准，然后将校准后的数据作为检测结果输出。

上述模拟量校准***在用户未对产品进行校准或退出校准模式时，对模拟量采样值根据不同增益范围分别对其进行校准；在用户进行了校准且处于校准模式时，根据用户校准参数对模拟量采样值进行校准。该校准***可灵活地平衡用户校准和出厂校准：在用户未采用用户校准模式时检测结果更加精确；在用户采用用户校准模式时，则检测结果更贴近用户实际应用场合。

如图2所示，是本发明模拟量校准***第二实施例的示意图。本实施例中的校准***除了包括参数存储单元21、模式判断单元22、第一校准单元23以及第二校准单元24外，还包括用户参数创建单元25和出厂参数创建单元26。上述用户参数创建单元25和出厂参数创建单元26可结合工业控制设备的硬件实现。

用户参数创建单元25用于根据用户输入生成用户校准参数并存储到参数存储单元21。具体地，用户参数创建单元25可根据用户通过上位机软件输入的数据作为用户校准参数，也可根据输入的实际模拟信号创建用户校准参数。该用户参数创建单元25可根据每一检测规格创建一组用户校准参数。

出厂参数创建单元26用于在工业控制设备出厂前创建出厂校准参数存储到参数存储单元21。具体地，每一组出厂校准参数可包括零点采样值（即中点采样值）、正量程点采样值（位于中点右侧的量程点的采样值）和负量程点采样值（位于中点左侧的量程点的采样值），即出厂参数创建单元26在创建出厂校准参数时，分别获得多个增益范围内的零点采样值、正量程点采样值和负量程点采样值并存储到参数存储单元21。

第二校准单元24包括则可包括参数选择子单元和公式选择子单元，其中参数选择子单元用于根据模拟量采样值所处的增益范围从参数存储单元21选择一组对应的出厂校准参数；公式选择子单元用于在模拟量采样值大于或等于零点采样值时使用正向偏移公式对采样值进行校准、在采样值小于零点采样值时使用负向偏移公式对所述采样值进行校准。

具体地，第二校准单元24可采用三点校准模式进行进度校准。第二校准单元24可分别取增益范围内的零点、正量程点（例如+90%量程）和负量程点（例如-90%量程）三点进行校准。具体地，可根据零点和正量程点绘制出正向线段，并与实际值计算出正向偏移曲线；根据零点和负量程点绘制出负向线段，并与实际值计算出负向偏移曲线。

例如当选择的增益范围为-10V-+10V，出厂参数创建单元26可选择0V、+9V、-9V三点进行采样获得模拟量采样值，如图3所示。

此时实际值的线段可表示为：Y=K*X         （1）

采样值的线段可表示为：Y1=K1*X+b         （2）

将式（1）与式（2）合并即可获得： $Y=(Y1-b)*\frac{K}{K1}---\left(3\right)$

若出厂参数创建单元26获得的零点、正量程点、负量程点的采样值分别为MidSamp、PosSamp、NegSamp，则可计算获得

b=MidSamp，其中a为最大检测结果（例如图3中的29490）。将K1、K2、K、b代入式（3）可得出第二校准单元24用于进行校准的正向偏移曲线和负向偏移曲线，其中在模拟量采样值Y1大于或等于零点采样值（MidSamp）时，则校准后的检测结果为

$Y=(Y1-b)*\frac{K}{K1}=(Y1-\mathrm{MidSamp})*\frac{a}{\mathrm{PosSamp}-\mathrm{MidSamp}}---\left(4\right)$

如果采样值Y2小于MidSamp时，校准后的检测结果为

$Y=(Y2-b)*\frac{K}{K2}=(Y2-\mathrm{MidSamp})*\frac{a}{\mathrm{MidSamp}-\mathrm{NegSamp}}---\left(5\right)$

如图4所示，是本发明模拟量校准方法实施例的流程示意图。该方法可由工业控制设备在模拟量采样值校准时执行，包括以下步骤：

步骤S41：读取模拟量采样值并读取用户选择的检测规格。

步骤S42：判断当前检测规格是否满足用户校准模式，若是则执行步骤S43，否则执行步骤S44。

步骤S43：选择用户校准参数对所述采样值校准后作为检测结果输出。

步骤S44：根据采样值所处的增益范围选择一组对应的出厂校准参数并使用选择的出厂校准参数对采样值校准后作为检测结果输出。

特别地，在上述步骤S41之前包括：根据用户输入生成用户校准参数并存储；相应地，步骤S42中，在用户校准模式被开启且当前检测规格下存在用户校准参数时确认满足用户校准模式。

而每一组出厂校准参数包括零点采样值、正量程点采样值和负量程点采样值；步骤S41之前包括分别获得多个增益范围内的零点采样值、正量程点采样值和负量程点采样值并存储。此时，步骤S44中使用选择的出厂校准参数对采样值校准步骤包括：

判断所述采样值是否大于零点采样值，若大于或等于零点采样值则执行步骤使用正向偏移公式对所述采样值进行校准，否则执行步骤使用负向偏移公式对所述采样值进行校准。（d2）；

特别地，上述正量程点为90%增益点、所述负量程点为-90%增益点，正向偏移公式为： $Y=(Y1-\mathrm{MidSamp})*\frac{a}{\mathrm{PosSamp}-\mathrm{MidSamp}};$ 负向偏移公示为： $Y=(Y2-\mathrm{MidSamp})*\frac{a}{\mathrm{MidSamp}-\mathrm{NegSamp}};$ 其中Y为校准值，Y1、Y2为当前采样值，NegSamp为正量程点采样值，MidSamp为零点采样值，PosSamp为负量程点采样值，a为最大检测结果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种模拟量校准***，其特征在于：包括参数存储单元、模式判断单元、第一校准单元以及第二校准单元，其中：所述参数存储单元，用于存储用户校准参数和多组分别对应不同增益范围的出厂校准参数；所述模式判断单元，用于判断当前选择的检测规格是否满足用户校准模式；第一校准单元，用于在所述模式判断单元确认满足用户校准模式时，选择用户校准参数对待检测的模拟量采样值进行校准，并将校准后的值作为检测结果输出；所述第二校准单元，用于在所述模式判断单元确认不满足用户校准模式时根据采样值所处的增益范围选择一组对应的出厂校准参数及使用所述选择的出厂校准参数对采样值进行校准，并将校准后的值后作为检测结果输出。

2.根据权利要求1所述的模拟量校准***，其特征在于：所述校准***包括用户参数创建单元，用于根据用户输入生成用户校准参数并存储到参数存储单元；所述模式判断单元在用户校准模式被开启且所述参数存储单元中存在与当前检测规格对应的用户校准参数时确认当前检测规格满足用户校准模式。

3.根据权利要求1所述的模拟量校准***，其特征在于：每一组出厂校准参数包括零点采样值、正量程点采样值和负量程点采样值；所述校准***包括出厂参数创建单元，用于分别获得多个增益范围内的零点采样值、正量程点采样值和负量程点采样值并存储到参数存储单元。

4.根据权利要求3所述的模拟量校准***，其特征在于：所述第二校准单元包括参数选择子单元、公式选择子单元，其中所述参数选择子单元，用于根据采样值所处的增益范围选择一组对应的出厂校准参数；所述公式选择子单元，用于在所述采样值大于或等于零点采样值时使用正向偏移公式对所述采样值进行校准、在所述采样值小于零点采样值时使用负向偏移公式对所述采样值进行校准。

5.根据权利要求4所述的模拟量校准***，其特征在于：所述正量程点为90%增益点、所述负量程点为-90%增益点；

所述正向偏移公式为： $Y=(Y1-\mathrm{MidSamp})*\frac{a}{\mathrm{PosSamp}-\mathrm{MidSamp}};$

所述负向偏移公示为： $Y=(Y2-\mathrm{MidSamp})*\frac{a}{\mathrm{MidSamp}-\mathrm{NegSamp}};$

其中Y为校准值，Y1、Y2为当前采样值，NegSamp为正量程点采样值，MidSamp为零点采样值，PosSamp为负量程点采样值，a为最大检测结果。

6.一种模拟量校准方法，其特征在于：包括以下步骤：

（a）读取待检测的模拟量采样值并读取用户选择的检测规格；

（b）判断当前检测规格是否满足用户校准模式，若是则执行步骤（c），否则执行步骤（d）；

（c）选择用户校准参数对所述采样值校准，并将校准后的值作为检测结果输出；

（d）根据采样值所处的增益范围选择一组对应的出厂校准参数及使用选择的出厂校准参数对采样值校准，并将校准后的值作为检测结果输出。

7.根据权利要求6所述的模拟量校准方法，其特征在于：在所述步骤（a）之前包括：根据用户输入生成用户校准参数并存储；所述步骤（b）中，在用户校准模式被开启且当前检测规格下存在用户校准参数时确认当前检测规格满足用户校准模式。

8.根据权利要求6所述的模拟量校准方法，其特征在于：每一组出厂校准参数包括零点采样值、正量程点采样值和负量程点采样值；所述步骤（a）之前包括分别获得多个增益范围内的零点采样值、正量程点采样值和负量程点采样值并存储。

9.根据权利要求8所述的模拟量校准方法，其特征在于：所述步骤（d）中使用选择的出厂校准参数对采样值校准步骤包括：

（d1）判断所述采样值是否大于零点采样值，若大于或等于零点采样值则执行步骤（d2），否则执行步骤（d3）；

（d2）使用正向偏移公式对所述采样值进行校准；

（d3）使用负向偏移公式对所述采样值进行校准。

10.根据权利要求9所述的模拟量校准方法，其特征在于：所述正量程点为90%增益点、所述负量程点为-90%增益点，

所述正向偏移公式为： $Y=(Y1-\mathrm{MidSamp})*\frac{a}{\mathrm{PosSamp}-\mathrm{MidSamp}};$

所述负向偏移公示为： $Y=(Y2-\mathrm{MidSamp})*\frac{a}{\mathrm{MidSamp}-\mathrm{NegSamp}};$

其中Y为校准值，Y1、Y2为当前采样值，NegSamp为正量程点采样值，MidSamp为零点采样值，PosSamp为负量程点采样值，a为最大检测结果。

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