專利名稱：一種數(shù)字化hart接口傾斜儀的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于測量技術領域，涉及ー種傾斜儀，尤其涉及ー種數(shù)字化HART接ロ傾斜儀。
背景技術：
數(shù)字化傾斜儀是ー種將數(shù)字接ロ與傾角傳感器結(jié)合在一起全新的傾斜儀。通常下，數(shù)字化傾斜儀是用來測量物體隨時間的傾斜變化及鉛垂線隨時間變化的儀器，在遠距離傳輸時的抗干擾方面，選擇電流、或者差分總線的方式是最佳的途徑；電流傳輸方式中選擇HART接ロ為遠程儀表的合適途徑。HART協(xié)議是ー種兼容現(xiàn)行4 20mA模擬系統(tǒng)的過渡性現(xiàn)場總線標準，協(xié)議具備以下特點在4 20mA模擬信號上疊加數(shù)字信號進行雙向數(shù)字通信，兼容現(xiàn)行模擬體制；可同時進行點對點的4 20mA模擬和數(shù)字通信；可以使用多站方式進行通信；兼容傳統(tǒng)的4 20mA模擬系統(tǒng)的HART通信協(xié)議具有諸多優(yōu)點，發(fā)展至今，它已被世界上三分之ニ以上的現(xiàn)場設備所采用，成為智能エ業(yè)控制領域事實上的國際標準。為了滿足智能エ業(yè)控制領域發(fā)展的趨勢要求，將傾角傳感器與HART接ロ結(jié)合在一起，將會拓展傾角傳感器的應用領域及加強傾角傳感器測量使用的適應性。如今，還沒有將傾斜儀與HART接ロ融合在一起的設備。
實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術問題是提供ー種數(shù)字化HART接ロ傾斜儀，將傾角傳感器與HART接ロ結(jié)合在一起，可同時實現(xiàn)點對點或者多站方式的數(shù)字和模擬通信。為解決上述技術問題，本實用新型采用如下技術方案ー種數(shù)字化HART接ロ傾斜儀，所述傾斜儀包括傾角傳感器、濾波單元、處理器、數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺、電源系統(tǒng)、HART接ロ單元；所述傾角傳感器用以提供高分辨率的傾斜角度；所述濾波単元與所述傾角傳感器連接，用以對所述傾角傳感器輸出的模擬信號進行濾波；所述處理器與所述濾波單元連接，用以對傾角傳感器輸出的經(jīng)過濾波的模擬信號進行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，在處理器內(nèi)作數(shù)字信號濾波，達到真實地反映出傾角輸出信息，并對數(shù)字處理后的信號進行角度轉(zhuǎn)換；所述數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺與所述處理器連接，用以對傾角傳感器作線性補償所需的數(shù)據(jù)作測試，計算出合適的線性標定系數(shù)；所述處理器進ー步利用數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺計算出的線性標定系數(shù)對測量的角度數(shù)據(jù)作線性補償；所述電源系統(tǒng)與所述傾角傳感器、濾波單元、處理器、數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺連接，用以提供電源；所述HART接ロ単元與所述處理器連接，用于使位于現(xiàn)場的傾角傳感器和位于控制室的主機系統(tǒng)進行數(shù)字通信，處理器通過HART接口單元將獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送至主機系統(tǒng)，主機系統(tǒng)通過HART接口單元將控制命令發(fā)送至處理器。作為本實用新型的一種優(yōu)選方案，所述濾波單元為硬件濾波單元，用以對傾角傳感器輸出的模擬信號帶寬內(nèi)濾波。作為本實用新型的一種優(yōu)選方案，所述傾斜儀進一步包括高低溫溫度箱，用以對傾斜儀的零點溫漂做補償。作為本實用新型的一種優(yōu)選方案，所述傾斜儀進一步包括高低溫溫度箱，用以對傾斜儀的靈敏度溫漂做補償。作為本實用新型的一種優(yōu)選方案，所述處理器為內(nèi)置24bit模數(shù)轉(zhuǎn)化單元AD的MCU。作為本實用新型的一種優(yōu)選方案，所述HART接口單元連接HART總線，直接從HART總線取電；HART接口單元可直接連接任意設備的HART端口，用以將傾斜儀測量傾斜角度數(shù)據(jù)輸出至任意設備。本實用新型的有益效果在于本實用新型提出的數(shù)字化HART接口傾斜儀，能夠提供傾斜角度的測量，可直接連接任意設備的HART端口，直接從HART總線取電，無需外接電源，使傾斜儀變?yōu)閮删€制輸出，能夠滿現(xiàn)場遠程儀表和控制室系統(tǒng)的數(shù)字通信要求。相對于現(xiàn)有的同類數(shù)字傾斜儀有明顯優(yōu)勢。此外，本實用新型數(shù)字化HART傾斜儀內(nèi)部軟件集成了自標定算法，能夠在外部簡單的操作實現(xiàn)數(shù)字傾斜儀本身數(shù)字自動標定。
圖1為本實用新型數(shù)字化HART傾斜儀的組成示意圖。圖2為本實用新型數(shù)字化HART傾斜儀測量方法的流程圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖詳細說明本實用新型的優(yōu)選實施例。實施例一本實用新型揭示了一種數(shù)字化HART接口傾斜儀，所述傾斜儀包括傾角傳感器、濾波單元、處理器、數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺、電源系統(tǒng)、HART接口單元。所述傾角傳感器用以提供高分辨率的傾斜角度；所述濾波單元與所述傾角傳感器連接，用以對所述傾角傳感器輸出的模擬信號進行濾波。所述處理器與所述濾波單元連接，用以對傾角傳感器輸出的經(jīng)過濾波的模擬信號進行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，在處理器內(nèi)作數(shù)字信號濾波，達到真實地反映出傾角輸出信息，并對數(shù)字處理后的信號進行角度轉(zhuǎn)換。所述數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺與所述處理器連接，用以對傾角傳感器作線性補償所需的數(shù)據(jù)作測試，計算出合適的線性標定系數(shù)；所述處理器進一步利用數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺計算出的線性標定系數(shù)對測量的角度數(shù)據(jù)作線性補償。所述電源系統(tǒng)與所述傾角傳感器、濾波單元、處理器、數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺連接，用以提供電源。所述HART接口單元與所述處理器連接，用于使位于現(xiàn)場的傾角傳感器和位于控制室的主機系統(tǒng)進行數(shù)字通信，處理器通過HART接口單元將獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送至主機系統(tǒng)，主機系統(tǒng)通過HART接口單元將控制命令發(fā)送至處理器。[0028]請參閱圖1，本實施例中，所述HART傾斜儀包括核心高精度MEMS傾角傳感器1、硬件濾波單元2、電源系統(tǒng)3、內(nèi)置24Bit模數(shù)轉(zhuǎn)化單元AD的MCU 4、數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺(圖未示)、HART接口 5。所述MCU4連接硬件濾波單元2、電源系統(tǒng)3、數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺、HART接口 5，所述電源系統(tǒng)3連接傾角傳感器1、硬件濾波單元2、數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺、HART接口 5。所述HART接口單元連接MCU4、電源系統(tǒng)3。核心高精度MEMS傾角傳感器I可以提供很高的角度分辨率，通過硬件濾波單元2對高精度MEMS傾角傳感器I輸出模擬信號帶寬內(nèi)濾波，內(nèi)置24BUAD的MCU對核心高精度MEMS傾角傳感器I輸出的模擬信號進行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，在MCU內(nèi)部軟件內(nèi)作數(shù)字信號濾波，達到真實地反映出傾角輸出信息。內(nèi)置24bit AD的MCU4會對數(shù)字處理后信號進行角度轉(zhuǎn)換，然后會利用外部高精度的數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺對傾角傳感器作線性補償所需的數(shù)據(jù)作測試。內(nèi)置24bit AD的MCU4利用內(nèi)部最小二乘法算法對在線測試數(shù)據(jù)運算，計算出合適的線性標定系數(shù)，并存儲于MCU內(nèi)部開辟的Flash Data存儲空間。每一次測量后，內(nèi)置24bit AD的MCU4利用事先計算出的線性標定系數(shù)對測量的角度數(shù)據(jù)作線性補償，達到提高傾角測量的線性度的目的。所述處理器的線性補償方法包括對一組標準值&1，a2, a3，. . .，ak，和對應該組標準值的實際測量所得一組值b” b2, b3，. . .，bk，根據(jù)兩組值擬合出一個多項式ai = F(bi)，i=1. . . k,即 f = ko+kiC+^^+kgC3+. . . +kmCm, k0, k” k2, k3,. . .，km 為多項式系數(shù)，C =a1； a2, a3, . . .，ak ;利用最小二乘法算法,求解多項式擬合的系數(shù)kQ, k1； k2, k3, . . .，km,處理器的MCU程序?qū)⒃摱囗検焦袒渲?，并利用該多項式對采集的?shù)據(jù)進行多項式計算，即數(shù)據(jù)補償。此外，所述數(shù)字化HART傾斜儀進一步包括高低溫溫度箱，用以對傾斜儀的零點溫漂和靈敏度溫漂做補償。利用外部設備高低溫實驗箱對核心高精度MEMS傾角傳感器I作溫度補償測試(靈敏度溫漂、零點溫漂)，內(nèi)置24bitMCU4利用內(nèi)部最小二乘法算法對在線對測試數(shù)據(jù)處理、運算，計算出溫度補償系數(shù)，并存儲于內(nèi)部開辟的存儲空間內(nèi)，以后每-次測量數(shù)據(jù)輸出都會被溫度補 償系數(shù)修正，能夠很好地降低溫度對傳感器的影響。零點溫漂補償方法包括對傾斜儀的零點輸出做溫度試驗，測量出傾斜儀的零點輸出受溫度影響的變化，利用最小二乘法擬合出零點輸出與溫度變化之間的多項式關系式，Z = Z(T)，即 Z(T) = k0+k1T+k2T2+k3T3+. · · +kmTm，其中，kQ，k1； k2, k3,. . . , km 為多項式系數(shù)；利用最小二乘法算法，求解多項式擬合的系數(shù)U k1； k2, k3，. . .，km，處理器的MCU程序?qū)⒃摱囗検焦袒渲校⒗迷撽P系式對零點輸出做補償。靈敏度溫漂補償方法包括對傾斜儀的靈敏度做溫度試驗，測量出傾斜儀的靈敏度受溫度影響的變化，利用最小二乘法擬合出靈敏度與溫度變化之間的多項式關系式，S=S(T)，即 S(T) = k0+k1T+k2T2+k3T3+. · · +kmTm，其中，k0, k” k2, k3，· · ·，km 為多項式系數(shù)；利用最小二乘法算法,求解多項式擬合的系數(shù)1 , k1； k2, k3，...，km,處理器的MCU程序?qū)⒃摱囗検焦袒渲?，并利用該關系式對靈敏度做補償。上述三個補償步驟使用了最小二乘法；三個補償步驟中，多項式的系數(shù)k0, k1； k2, k3,. . . kn根據(jù)實際情況計算,在三個補償步驟中多項式的系數(shù)1 , k1； k2, k3,. . .，km并不要求相等。以上介紹了本實用新型數(shù)字化HART傾斜儀的組成，本實用新型在揭示上述數(shù)字化HART傾斜儀的同時，還揭示一種上述數(shù)字化HART傾斜儀的測量和傳輸方法；請參閱圖2，所述測量和傳輸方法包括如下步驟步驟SI傾角傳感器提供高分辨率的傾斜角度，濾波單元對傾角傳感器輸出的模擬信號濾波；步驟S2處理器對傾角傳感器輸出的經(jīng)過濾波的模擬信號進行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，在處理器內(nèi)作數(shù)字信號濾波，達到真實地反映出傾角輸出信息；步驟S3處理器對數(shù)字處理后的信號進行角度轉(zhuǎn)換，利用外部高精度的數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺對傾角傳感器作線性補償所需的數(shù)據(jù)作測試，所述處理器利用最小二乘法算法對在線測試數(shù)據(jù)運算，計算出合適的線性標定系數(shù)，并存儲于處理器內(nèi)的存儲空間； 步驟S4每一次測量后，處理器利用事先計算出的線性標定系數(shù)對測量的角度數(shù)據(jù)作線性補償，達到提高傾角測量的線性度的目的。步驟S5每一次數(shù)據(jù)修正后，處理器通過HART接口對外傳輸數(shù)據(jù)，達到HART接口數(shù)據(jù)輸出的目的。綜上所述，本實用新型提出的數(shù)字化HART接口傾斜儀，能夠提供傾斜角度的測量，可直接連接任意設備的HART端口，直接從HART總線取電，無需外接電源，使傾斜儀變?yōu)閮删€制輸出，能夠滿現(xiàn)場遠程儀表和控制室系統(tǒng)的數(shù)字通信要求。相對于現(xiàn)有的同類數(shù)字傾斜儀有明顯優(yōu)勢。此外，本實用新型數(shù)字化HART傾斜儀內(nèi)部軟件集成了自標定算法，能夠在外部簡單的操作實現(xiàn)數(shù)字傾斜儀本身數(shù)字自動標定。這里本實用新型的描述和應用是說明性的，并非想將本實用新型的范圍限制在上述實施例中。這里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領域的普通技術人員來說實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領域技術人員應該清楚的是，在不脫離本實用新型的精神或本質(zhì)特征的情況下，本實用新型可以以其它形式、結(jié)構(gòu)、布置、比例，以及用其它組件、材料和部件來實現(xiàn)。在不脫離本實用新型范圍和精神的情況下，可以對這里所披露的實施例進行其它變形和改變。
權利要求1.一種數(shù)字化HART接口傾斜儀，其特征在于，所述傾斜儀包括傾角傳感器、濾波單元、處理器、數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺、電源系統(tǒng)、HART接口單元； 所述傾角傳感器用以提供高分辨率的傾斜角度； 所述濾波單元與所述傾角傳感器連接，用以對所述傾角傳感器輸出的模擬信號進行濾波； 所述處理器與所述濾波單元連接，用以對傾角傳感器輸出的經(jīng)過濾波的模擬信號進行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，在處理器內(nèi)作數(shù)字信號濾波，達到真實地反映出傾角輸出信息，并對數(shù)字處理后的信號進行角度轉(zhuǎn)換； 所述數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺與所述處理器連接，用以對傾角傳感器作線性補償所需的數(shù)據(jù)作測試，計算出合適的線性標定系數(shù)；所述處理器進一步利用數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺計算出的線性標定系數(shù)對測量的角度數(shù)據(jù)作線性補償； 所述電源系統(tǒng)與所述傾角傳感器、濾波單元、處理器、數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺連接，用以提供電源； 所述HART接口單元與所述處理器連接，用于使位于現(xiàn)場的傾角傳感器和位于控制室的主機系統(tǒng)進行數(shù)字通信，處理器通過HART接口單元將獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送至主機系統(tǒng)，主機系統(tǒng)通過HART接口單元將控制命令發(fā)送至處理器。
2.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字化HART接口傾斜儀，其特征在于 所述濾波單元為硬件濾波單元，用以對傾角傳感器輸出的模擬信號帶寬內(nèi)濾波。
3.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字化HART接口傾斜儀，其特征在于 所述傾斜儀進一步包括高低溫溫度箱，用以對傾斜儀的零點溫漂做補償。
4.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字化HART接口傾斜儀，其特征在于 所述傾斜儀進一步包括高低溫溫度箱，用以對傾斜儀的靈敏度溫漂做補償。
5.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字化HART接口傾斜儀，其特征在于 所述處理器為內(nèi)置24bit模數(shù)轉(zhuǎn)化單元AD的MCU。
6.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字化HART接口傾斜儀，其特征在于 所述HART接口單元連接HART總線，直接從HART總線取電；HART接口單元可直接連接其他設備的HART端口，用以將傾斜儀測量傾斜角度數(shù)據(jù)輸出至其他設備。
專利摘要本實用新型揭示了一種數(shù)字化HART接口傾斜儀，包括傾角傳感器、濾波單元、處理器、數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺、電源系統(tǒng)、HART接口單元。傾角傳感器用以提供高分辨率的傾斜角度；濾波單元用以對所述傾角傳感器輸出的模擬信號進行濾波；處理器用以對傾角傳感器輸出的經(jīng)過濾波的模擬信號進行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，在處理器內(nèi)作數(shù)字信號濾波，并對數(shù)字處理后的信號進行角度轉(zhuǎn)換；數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺用以對傳傾角感器作線性補償所需的數(shù)據(jù)作測試，計算出合適的線性標定系數(shù)；HART接口單元用于使傾角傳感器和主機系統(tǒng)進行數(shù)字通信。本實用新型可直接連接任意設備的HART端口，直接從HART總線取電，無需外接電源，使傾斜儀變?yōu)閮删€制輸出，能夠滿現(xiàn)場遠程儀表和控制室系統(tǒng)的數(shù)字通信要求。
文檔編號G01C9/00GK202885810SQ201220425999
公開日2013年4月17日 申請日期2012年8月24日 優(yōu)先權日2012年8月24日
發(fā)明者高成, 張峰 申請人:上海輝格科技發(fā)展有限公司