CN106289366A - 一种传感器自动校准方法以及批量校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种传感器自动校准方法以及批量校准装置。该自动校准方法主要通过预校准和主校准两个大的环节实现传感器的自动校准，其中预校准阶段计算确定传感器调理芯片的配置参数；主校准是在预校准的基础上，通过调节补偿量将传感器输出稳定在所需输出值，采用逼近算法得出校准补偿值。本发明只需要一次施加最小和最大量程的外界激励，就可以完成对传感器的校准标定；可以根据需要标定传感器***的数量，进行相应的物理连接扩展，对多个传感器***进行批量的标定校准。

Description

一种传感器自动校准方法以及批量校准装置

技术领域

本发明属于电子电路设计领域，涉及一种传感器自动校准方法，还涉及一种实现批量校准的装置和方法。

背景技术

现有的传感器校准标定方法，在标定过程中需要反复对传感器施加最小和最大量程的外界激励，来反复调节零点偏移和满量程偏移，使处理过程复杂化，工作量较大。另外，传统的传感器***校准方法采用一块电路板只能校准一个传感器，在处理两个以上传感器***时，需要同时使用两套及以上电路板，而对多个传感器***校准，使用多块电路板已经不能满足要求。因此随着标定传感器***数量的增加，使用一套电路板来校准一个传感器***的传统解决方案已很难满足要求。

发明内容

本发明的目的首先在于提供一种传感器自动校准方法，用于对特定环境变量的变化导致的传感器输出漂移进行校准，避免在标定过程中反复调节零点偏移和满量程偏移导致处理过程复杂化，工作量较大等问题。

解决方案如下：

一种传感器自动校准方法，包括以下步骤：

1)预校准

设定传感器的驱动电压初值和传感器调理芯片的配置参数初值，在初值条件下，通过测量传感器***在不同输入时的输出差异，计算确定传感器调理芯片的配置参数；所述传感器***包括传感器、传感器调理芯片以及***电路；

2)主校准

在步骤1)确定的传感器调理芯片的配置参数的基础上，设定所述特定环境变量的值，按照下式计算传感器的驱动电压的目标值VB：

VB＝Vb3·Span/(Vout2-Vout1)

式中，Vout2、Vout1分别为最大输入和最小输入时的输出值，Span为设定的输出跨度常数，Span＝设定的满量程输出目标值-设定的零点目标值，Vb3为当前传感器的驱动电压；

采用逼近算法多次调整满量程补偿值FSODAC，直至传感器的驱动电压达到目标值VB；

在最小输入同时传感器的驱动电压为VB时，采用逼近算法多次调整零点补偿值ODAC，直至传感器的输出达到设定的零点目标值；

至此，保存当前的满量程补偿值FSODAC和零点补偿值ODAC，完成当前特定环境变量条件下的校准补偿；

3)改变所述特定环境变量的值，按照步骤2)再次进行主校准，完成当前特定环境变量条件下的校准补偿；如果特定环境变量在选择的某一值时无法完成主校准，则在当前特定环境变量(该值)条件下重新进行预校准；

4)根据多组特定环境变量条件下的校准补偿值，采用拟合算法得到所述特定环境变量在应用范围内的补偿参数集，将补偿参数集和步骤1)得到的传感器调理芯片的配置参数写入传感器调理芯片的存储空间，用于传感器***运行过程中调取对应于实时特定环境变量的校准补偿值，实现自动校准。

步骤1)中可以预估直接设定驱动电压初值；也可以按照以下方式设定传感器的驱动电压初值：

首次测量传感器的驱动电压Vb1，记当前的传感器的驱动输入为FSOA0，按照下式改变测量传感器的驱动输入FSOA：

FSOA＝FSOA0*VB0/Vb1，VB0为预估常数；

再次测量传感器的驱动电压Vb2，将其设定为传感器的驱动电压初值。

步骤1)中具体可以按照以下方法计算确定传感器调理芯片的配置参数：

在初值条件下，传感器***在输入为P1时，测得输出为Vout1；改变传感器调理芯片的配置参数，再次测得输出为Vout2；然后将传感器调理芯片的配置参数改回初值，改变传感器***输入为P2，测得输出为Vout3；根据这三种状态下的不同输出值，计算确定传感器调理芯片的配置参数。

一共进行三次主校准即可获得补偿参数集，即分别针对特定环境变量的应用范围最大值、最小值和中间值；基于这三组特定环境变量条件下的校准补偿值进行拟合计算得到所述补偿参数集。

上述特定环境变量为温度或湿度。

上述传感器可以是压力传感器。

本发明还提出一种传感器批量校准装置，通过简单的物理连接，可以同时对多个传感器***进行标定校准，解决了现有技术多个传感器***需要多个电路板的问题。

该传感器批量校准装置，包括多路复用开关、采样电路、ADC、数据转换模块、逻辑控制模块和工控机；所述多路复用开关分为两组功能开关，第一组功能开关用于传感器的数据采集，第二组功能开关用于传感器的校准配置；

第一组功能开关的每一路开关一侧对应连接一个待校准的传感器的数据输出端，另一侧依次经采样电路、ADC连接至工控机；第二组功能开关的每一路开关一侧对应连接一个待校准的传感器调理芯片的校准配置接收端，另一侧通过数据转换模块与工控机连接；工控机通过逻辑控制模块控制多路复用开关的闭合和关断。

基于前述传感器批量校准装置实现自动化批量校准的方法，对各传感器与工控机进行正确的物理连接后，按照前述传感器自动校准方法通过切换多路复用开关分别对各个传感器进行校准；其中：

测量传感器数据时，在逻辑控制下依次闭合所述第一组功能开关的各路开关，同一时刻仅允许一路开关闭合，采集输入的被测量；

校准配置时，在逻辑控制下依次闭合所述第二组功能开关的各路开关，同一时刻仅允许一路开关闭合，将补偿参数和配置参数写入相应的传感器调理芯片的存储空间。

本发明所具有优点：

1、只需要一次施加最小和最大量程的外界激励，就可以完成对传感器的校准标定。

2、可以根据需要标定传感器***的数量，进行相应的物理连接扩展，对多个传感器***进行批量的标定校准。

3、批量校准装置具有操作简单，扩展方便等优点。

附图说明

图1为单个传感器及其调理电路(芯片)的电路结构示意图。图中，BDR为驱动输出，OUT为调理电路的输出(也即传感器***的输出)，INP、INM为传感器的输出(作为调理芯片的输入)。

图2为预校准流程图。

图3为主校准确定FSODAC的流程图。

图4为主校准确定ODAC的流程图。

图5为多路传感器连接示意图。

具体实施方式

本发明的传感器自动校准方法，主要通过预校准和主校准两个大的环节实现传感器的自动校准。

预校准阶段计算确定传感器调理芯片的配置参数；主校准是在预校准的基础上，通过调节补偿量将传感器输出稳定在所需输出值，采用逼近算法得出校准补偿值。

下面以压力传感器、考虑温度变量因素为例，给出一个自动批量校准方法的具体示例。

如图1至图4所示，压力传感器自动批量校准方法，包括以下步骤：

步骤1]在确定传感器通信正常的前提下，进行预校准操作。具体操作流程如下：

测量输出桥电压Vb1(传感器的驱动电压，此为驱动电压的输入为0x4000时的电压输出值)；

FSOA(驱动电压的输入)＝0x4000*VB0/Vb1,取整后写入FSODAC的寄存器，VB0＝2V；

再次测量输出桥电压Vb2(驱动电压的输入为FSOA时的电压输出值)；

施加最小压强P1(以桥电压Vb2驱动传感器时传感器的输入)；

测量输出电压Vout1(传感器调理芯片的输出OUT)；

写0xe7c3(也可为任意值)到Config寄存器(通过Config寄存器内配置量的改变来设定传感器调理芯片的配置参数)；

同一驱动、输入条件下，再次测量输出电压Vout2；

施加最大压强的1/n P2(例如n＝10)

写0xe3c3(改回原设定值)到Config寄存器(再次改变传感器调理芯片的的配置参数，这里是仅改变调理电路的输入相(INP和INM换相))；

测量输出电压Vout3；

A(传感器调理芯片的输出放大系数)

＝1.5*Span*Vb2/(Vout3-Vout1)*n*VB0；

PGA＝(A-1.5)/0.5+0.5，PGA取最近整数；Span为传感器输出跨度，设定在5V以内；

IRO＝(Vout2-Vout1)*7*VB0/((Vout1+Vout2)*Vb2)，IRO取最近整数；

m＝(0x4000-FSOA)/(Vb1-Vb2),c＝0x4000-m*Vb2,FSO1＝m*VB+c，FSO1取整为fso1写入FSODAC；

上述IRO、m均传感器调理芯片的其它系数；

写入Config寄存器1110000xxx(IRO)xxxx(PGA)x(ODACSign)0

写入OffsetDAC(即ODAC)＝0x8000(也可写入其他经验值或任意值)

至此，基本可以满足传感器输入为最小时OUT值最小，传感器输入为最大时OUT值最大，确定了Config寄存器的内容(传感器调理芯片的的配置参数)，主校准将以此为基础改变多个补偿值。

此时，可以直接进入主校准环节；也可以先做初步调零：

施加最小压强P1；

测量输出电压Vout4；

Offset1＝12500(VB0-vout4)+14018,取整(调零的预估补偿值)，写入OffsetDAC；完成初步调零。

步骤2]待温度恒定(可以为预校准时的温度，如常温，也可以另设定一稳定温度)后，进行主校准操作，主校准过程包括两个步骤，首先是确定FSODAC值(满量程补偿值，保证传感器输入为最大时OUT值最大)，然后确定ODAC值(零点补偿值，保证传感器输入为最小时OUT值最小)。

确定FSODAC补偿值的具体操作流程如下：

施加最大压强；

测量输出电压Vout2；

施加最小压强P1；

测量输出电压Vout1；

测量桥电压输出Vb3；

VB＝Vb3*Span/(Vout2-Vout1)；

写入FSODAC fso2＝fso1+1000fso1＝FSODAC值(1000为步长，可任意设定)；

测量桥电压输出Vb4；

写入FSODAC，fso3＝fso1-1000(等步长换向逼近)；

测量桥电压输出Vb5；

写入FSODAC，fso4＝(fso2-fso3)*(VB-Vb3)/(Vb4-Vb5)+fso1；

测量Vb6(VBridge)，判断Vb6是否等于VB，不等于，则循环测量；直到Vb6是等于VB时，得到FSODAC的值。

确定ODAC值的具体操作流程如下：

测量Vos1；

写入ODAC offset2＝offset1+1000offset1＝ODAC值；

测量Vos2；

写入ODAC offset3＝offset1-1000；

测量Vos3；

写入ODAC，offset4＝(offset2-offset3)*(Vz-Vos1)/(Vos2-Vos3)+offset1，测量Vos4(PGA OUT)，判断Vos4是否等于Vz，不等于，则循环测量。直到Vos4是等于Vz时，得到ODAC的值。

步骤3]调整温度，再次进行主校准

调整至另一温度稳定(预校准为常温，则此时再分别调至可适用的最大温度、最下温度这两个点)后，按照步骤2]再次操作。如果需要传感器***输出的高精度，可以适当增加温度点进行主校准。

步骤4]根据特定温度点校准参数，利用拟合算法得到整个温度范围内的校准参数，将这些数据写入调理芯片的存储空间。完成传感器***的补偿校准过程。

如图5所示，将多个传感器芯片通过硬件连接到电脑，采用以上自动校准方法可完成多路传感器的批量校准。硬件包括多路复用开关、采样电路、ADC、数据转换和逻辑控制模块。

多个传感器的校准是利用连线对每个传感器***进行分时控制，完成传感器***校准；多路复用开关电路是通过其闭合关断将不同的传感器与电脑连接。采样电路是将传感器的输出模拟信号转换为对应的数字信号供后续电路处理。数据转换电路是将电脑发出的数据转换为调理芯片可以处理的数据形式。逻辑控制电路是控制多路复用开关的闭合和关断。

多路传感器的批量校准过程如下：

步骤1]对各传感器***与工控机进行正确的物理连接；

步骤2]在确定各传感器通信正常的前提下，依次对各路传感器进行预校准操作；具体操作流程如下：

操作步骤与前述自动校准方法的预校准相同；

凡涉及到传感器的数据采集需要在逻辑控制下依次闭合开关a、b…k，通过采样电路和ADC对数据进行收集存储；

凡涉及到对调理芯片进行配置时需要对配置数据进行数据转换在逻辑控制下依次闭合开关1、2…N，对各调理芯片进行配置；

步骤3]待温度恒定后，依次对各路传感器进行主校准操作；

操作步骤与前述自动校准方法的主校准相同；

凡涉及到传感器的数据采集需要在逻辑控制下依次闭合开关a、b…k，通过采样电路和ADC对数据进行收集存储；

凡涉及到对调理芯片进行配置时需要对配置数据进行数据转换在逻辑控制下依次闭合开关1、2…N，确定各调理芯片的补偿参数；

步骤4]调整温度，按照步骤3]再次进行主校准；

如果需要传感器***输出的高精度，可以适当增加温度点进行主校准；

步骤5]根据特定温度点校准参数，由拟合算法得到整个温度范围内的校准参数，将这些数据在逻辑控制下依次闭合开关1、2…N，将相应的补偿参数和配置参数写入调理芯片的存储空间，完成多个传感器的补偿校准过程。

Claims (8)

1.一种传感器自动校准方法，用于对特定环境变量的变化导致的传感器输出漂移进行校准，其特征在于，包括以下步骤：

1)预校准

设定传感器的驱动电压初值和传感器调理芯片的配置参数初值，在初值条件下，通过测量传感器***在不同输入时的输出差异，计算确定传感器调理芯片的配置参数；所述传感器***包括传感器、传感器调理芯片以及***电路；

2)主校准

在步骤1)确定的传感器调理芯片的配置参数的基础上，设定所述特定环境变量的值，按照下式计算传感器的驱动电压的目标值VB：

VB＝Vb3·Span/(Vout2-Vout1)

式中，Vout2、Vout1分别为最大输入和最小输入时的输出值，Span为设定的输出跨度常数，Span＝设定的满量程输出目标值-设定的零点目标值，Vb3为当前传感器的驱动电压；

采用逼近算法多次调整满量程补偿值FSODAC，直至传感器的驱动电压达到目标值VB；

在最小输入同时传感器的驱动电压为VB时，采用逼近算法多次调整零点补偿值ODAC，直至传感器的输出达到设定的零点目标值；

至此，保存当前的满量程补偿值FSODAC和零点补偿值ODAC，完成当前特定环境变量条件下的校准补偿；

3)改变所述特定环境变量的值，按照步骤2)再次进行主校准，完成当前特定环境变量条件下的校准补偿；如果特定环境变量在选择的某一值时无法完成主校准，则在当前特定环境变量条件下重新进行预校准；

4)根据多组特定环境变量条件下的校准补偿值，采用拟合算法得到所述特定环境变量在应用范围内的补偿参数集，将补偿参数集和步骤1)得到的传感器调理芯片的配置参数写入传感器调理芯片的存储空间，用于传感器***运行过程中调取对应于实时特定环境变量的校准补偿值，实现自动校准。

2.根据权利要求1所述的传感器自动校准方法，其特征在于，步骤1)中具体按照以下方式设定传感器的驱动电压初值：

首次测量传感器的驱动电压Vb1，记当前的传感器的驱动输入为FSOA0，按照下式改变测量传感器的驱动输入FSOA：

FSOA＝FSOA0*VB0/Vb1，VB0为预估常数；

再次测量传感器的驱动电压Vb2，将其设定为传感器的驱动电压初值。

3.根据权利要求1所述的传感器自动校准方法，其特征在于，步骤1)中计算确定传感器调理芯片的配置参数，具体是：

在初值条件下，传感器***在输入为P1时，测得输出为Vout1；改变传感器调理芯片的配置参数，再次测得输出为Vout2；然后将传感器调理芯片的配置参数改回初值，改变传感器***输入为P2，测得输出为Vout3；根据这三种状态下的不同输出值，计算确定传感器调理芯片的配置参数。

4.根据权利要求1所述的传感器自动校准方法，其特征在于：共进行三次主校准，分别针对特定环境变量的应用范围最大值、最小值和中间值；基于这三组特定环境变量条件下的校准补偿值进行拟合计算得到所述补偿参数集。

5.根据权利要求1所述的传感器自动校准方法，其特征在于：所述特定环境变量为温度或湿度。

6.根据权利要求1所述的传感器自动校准方法，其特征在于：所述传感器为压力传感器。

7.一种传感器批量校准装置，其特征在于：包括多路复用开关、采样电路、ADC、数据转换模块、逻辑控制模块和工控机；所述多路复用开关分为两组功能开关，第一组功能开关用于传感器的数据采集，第二组功能开关用于传感器的校准配置；

第一组功能开关的每一路开关一侧对应连接一个待校准的传感器的数据输出端，另一侧依次经采样电路、ADC连接至工控机；第二组功能开关的每一路开关一侧对应连接一个待校准的传感器调理芯片的校准配置接收端，另一侧通过数据转换模块与工控机连接；工控机通过逻辑控制模块控制多路复用开关的闭合和关断。

8.基于权利要求7所述的传感器批量校准装置实现自动化批量校准的方法，其特征在于：对各传感器与工控机进行正确的物理连接后，按照权利要求1所述传感器自动校准方法通过切换多路复用开关分别对各个传感器进行校准；其中：

测量传感器数据时，在逻辑控制下依次闭合所述第一组功能开关的各路开关，同一时刻仅允许一路开关闭合，采集输入的被测量；

校准配置时，在逻辑控制下依次闭合所述第二组功能开关的各路开关，同一时刻仅允许一路开关闭合，将补偿参数和配置参数写入相应的传感器调理芯片的存储空间。