一種數字式環境復合傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于傳感器可靠性設計技術領域，涉及一種數字式環境復合傳感器。
【背景技術】
[0002]環境復合傳感器用來測量環境中的溫度值、濕度值和壓力值。
[0003]現在國內的環境傳感器發展很快，研制生產出較高精度高準確度的環境傳感器并非難事，但是，傳感器使用的敏感器件都會隨著時間或使用出現性能波動，最終導致失效，傳感器的可靠性已成為傳感器重要的質量指標和市場競爭力的重要標志。
[0004]現在數字式的環境復合傳感器一般選用單個傳感器即一個溫壓傳感器和一個濕度傳感器來采集數據，整個系統是一個單獨的串聯系統，當有一個傳感器發生故障時，傳感器就失效，可靠性需要提高。
【發明內容】
[0005](一 )要解決的技術問題
[0006]本發明要解決的技術問題是:提供一種數字式復合傳感器，提高傳感器工作的可靠性，降低故障率和失效率。
[0007]( 二)技術方案
[0008]為了解決上述技術問題，本發明提供一種數字式環境復合傳感器，其包括主控制器，與主控制器連接的測量環境壓力的壓力傳感器組，與主控制器連接的測量環境溫度和環境濕度的溫濕度傳感器組，連接壓力傳感器組、溫濕度傳感器組和主控制器并為其供電的供電單元，以及連接主控制器的電平變換單元；所述壓力傳感器組包括三個并行的壓力傳感器，溫濕度傳感器組包括三個并行的溫濕度傳感器；所述主控制器對壓力傳感器組所采集的環境參數進行處理，輸出精度更高的環境參數結果。
[0009]其中，所述主控制器為具有并行處理能力的可編程邏輯器件CPLD，CPLD包括核心控制模塊，與核心控制模塊連接的壓力傳感器控制模塊、溫濕度傳感器控制模塊和協議解析與生成模塊，連接協議解析與生成模塊的串口接收模塊和串口發送模塊，以及連接上述各個模塊的時鐘模塊；其中，壓力傳感器控制模塊連接壓力傳感器組，用于控制各壓力傳感器進行環境壓力采集，溫濕度傳感器控制模塊連接溫濕度傳感器組，用于控制各溫濕度傳感器進行環境溫濕度采集；時鐘模塊用于控制所有溫濕度傳感器采用同一個時鐘信號且每個數據信號分開采集，并控制所有壓力傳感器采用同一個時鐘信號且每個數據信號分開采集；協議解析與生成模塊、串口接收模塊和串口發送模塊用于實現主控制器與客戶端之間的數據通信。
[0010]其中，所述核心控制模塊對壓力傳感器組和溫濕度傳感器組所采集的環境參數進行處理時選行三取二表決的方式。
[0011]其中，所述核心控制模塊處理環境參數時，將三組數據的平均值作為標準進行表決，去掉三組數據中偏離平均值較大的數據，剩余兩組數據，再將這兩組數據進行平均后將平均值作為最終結果輸出。
[0012]其中，所述核心控制模塊處理環境參數的實現方式為:壓力傳感器組和溫濕度傳感器組所采集的三組輸入量分別記為A，B和C，經過求和后分別與三倍的A，B和C做減法，等效得到平均值與每個輸入值的差值，然后經過比較器得到偏離平均值最大的輸入量，依此作為選擇器的輸入，如果輸入量A偏離最大，則輸出(B+C) /2，依次類推。
[0013]其中，還包括溫濕度校正模型，與所述主控制器連接，用于對主控制器處理得到的溫濕度結果進行校正，以提高溫濕度測量精度。
[0014](三)有益效果
[0015]上述技術方案所提供的數字式環境復合傳感器，將三模冗余技術應用到數字式環境復合傳感器設計中，三個傳感器中單獨一個傳感器的故障不會影響傳感器的正確輸出，大大提高傳感器的可靠性，降低故障率和失效率。
【附圖說明】
[0016]圖1為環境復合傳感器系統框圖；
[0017]圖2為環境復合傳感器主控制器邏輯框圖；
[0018]圖3為三模冗余數據處理邏輯電路圖。
【具體實施方式】
[0019]為使本發明的目的、內容和優點更加清楚，下面結合附圖和實施例，對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。
[0020]參照圖1所示，本實施例數字式環境復合傳感器包括主控制器，與主控制器連接的測量環境壓力的壓力傳感器組，與主控制器連接的測量環境溫度和環境濕度的溫濕度傳感器組，連接壓力傳感器組、溫濕度傳感器組和主控制器并為其供電的供電單元，以及連接主控制器的電平變換單元。
[0021]其中，數字式環境復合傳感器選用數字式的溫濕度傳感器和壓力傳感器，并將三個溫濕度傳感器和三個壓力傳感器共六個傳感器分別組成溫壓傳感器組和濕度傳感器組。在對六個傳感器的數據采集上，為保證所采集數據的同步性，采用并行采集的方式對各個傳感器進行同步采集。
[0022]參照圖2所示，主控制器選用具有并行處理能力的可編程邏輯器件CPLD來實現，CPLD包括核心控制模塊，與核心控制模塊連接的壓力傳感器控制模塊、溫濕度傳感器控制模塊和協議解析與生成模塊，連接協議解析與生成模塊的串口接收模塊和串口發送模塊，以及連接上述各個模塊的時鐘模塊；其中，壓力傳感器控制模塊連接壓力傳感器組，用于控制各壓力傳感器進行環境壓力采集，溫濕度傳感器控制模塊連接溫濕度傳感器組，用于控制各溫濕度傳感器進行環境溫濕度采集，核心控制模塊用于對所采集的環境參數進行處理，輸出精度更高的環境參數結果；時鐘模塊用于控制所有溫濕度傳感器采用同一個時鐘信號且每個數據信號分開采集，并控制所有壓力傳感器采用同一個時鐘信號且每個數據信號分開采集，采用這樣方式就可以保證每次采集的數據都是同一時刻的環境參數；協議解析與生成模塊、串口接收模塊和串口發送模塊用于實現主控制器與客戶端之間的數據通信。
[0023]核心控制模塊對壓力傳感器組和溫濕度傳感器組所采集的環境參數進行處理的過程中，進行三取二表決，屏蔽掉單個傳感器的輸出故障，三模冗余技術是常用的一致容錯設計技術，三個模塊同時執行相同的操作，以多數相同的輸出作為表決系統的正確輸出，通常稱為三取二。具體過程為:將三組數據的平均值作為標準進行表決，去掉三組數據中偏離平均值較大的數據，選出兩個“正確”的數據，再將這二個數據進行平均后將平均值作為最終結果輸出。
[0024]核心控制模塊進行數據處理的硬件實現方式參見圖3所示，壓力傳感器組和溫濕度傳感器組所采集的三組輸入量分別記為A，B和C，經過求和后分別與三倍的A，B和C做減法，等效得到平均值與每個輸入值的差值，然后經過比較器(圖中的兩個MAX)得到偏離平均值最大的輸入量，依此作為選擇器的輸入，如果輸入量A偏離最大，則輸出(B+C) /2，依次類推。
[0025]三模冗余處理得到的溫濕度結果可進一步通過溫濕度校正模型進行校正，以提高溫濕度測量精度。具體的溫濕度校正模型有多種現有的實現方式，在此不做進一步贅述。
[0026]與現有的單個傳感器采集的方式相比，本發明的有益效果是:
[0027]只要集成的三個傳感器中有兩個輸出正確，就能保證傳感器的最終輸出正確，由于集成的三個傳感器是互相獨立的，兩個傳感器同時出現錯誤是極小概率事件，因此，可以大大提高系統的可靠性。
[0028]同時，可以對偏離平均值大的數據進行故障判別，如果超過一定值判斷為該數據對應的傳感器故障，因此，系統還具有故障檢測能力，可以周期性或在需要時檢測故障，發現故障后能及時定位，進行故障處理，減少二次故障發生的概率。
[0029]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種數字式環境復合傳感器，其特征在于，包括主控制器，與主控制器連接的測量環境壓力的壓力傳感器組，與主控制器連接的測量環境溫度和環境濕度的溫濕度傳感器組，連接壓力傳感器組、溫濕度傳感器組和主控制器并為其供電的供電單元，以及連接主控制器的電平變換單元；所述壓力傳感器組包括三個并行的壓力傳感器，溫濕度傳感器組包括三個并行的溫濕度傳感器；所述主控制器對壓力傳感器組所采集的環境參數進行處理，輸出精度更高的環境參數結果。
2.如權利要求1所述的數字式環境復合傳感器，其特征在于，所述主控制器為具有并行處理能力的可編程邏輯器件CPLD，CPLD包括核心控制模塊，與核心控制模塊連接的壓力傳感器控制模塊、溫濕度傳感器控制模塊和協議解析與生成模塊，連接協議解析與生成模塊的串口接收模塊和串口發送模塊，以及連接上述各個模塊的時鐘模塊；其中，壓力傳感器控制模塊連接壓力傳感器組，用于控制各壓力傳感器進行環境壓力采集，溫濕度傳感器控制模塊連接溫濕度傳感器組，用于控制各溫濕度傳感器進行環境溫濕度采集；時鐘模塊用于控制所有溫濕度傳感器采用同一個時鐘信號且每個數據信號分開采集，并控制所有壓力傳感器采用同一個時鐘信號且每個數據信號分開采集；協議解析與生成模塊、串口接收模塊和串口發送模塊用于實現主控制器與客戶端之間的數據通信。
3.如權利要求2所述的數字式環境復合傳感器，其特征在于，所述核心控制模塊對壓力傳感器組和溫濕度傳感器組所采集的環境參數進行處理時選行三取二表決的方式。
4.如權利要求3所述的數字式環境復合傳感器，其特征在于，所述核心控制模塊處理環境參數時，將三組數據的平均值作為標準進行表決，去掉三組數據中偏離平均值較大的數據，剩余兩組數據，再將這兩組數據進行平均后將平均值作為最終結果輸出。
5.如權利要求4所述的數字式環境復合傳感器，其特征在于，所述核心控制模塊處理環境參數的實現方式為:壓力傳感器組和溫濕度傳感器組所采集的三組輸入量分別記為A，B和C，經過求和后分別與三倍的A，B和C做減法，等效得到平均值與每個輸入值的差值，然后經過比較器得到偏離平均值最大的輸入量，依此作為選擇器的輸入，如果輸入量A偏離最大，則輸出(B+C)/2，依次類推。
6.如權利要求3-5中任一項所述的數字式環境復合傳感器，其特征在于，還包括溫濕度校正模型，與所述主控制器連接，用于對主控制器處理得到的溫濕度結果進行校正，以提高溫濕度測量精度。
【專利摘要】本發明公開了一種數字式環境復合傳感器，其包括主控制器，與主控制器連接的測量環境壓力的壓力傳感器組，與主控制器連接的測量環境溫度和環境濕度的溫濕度傳感器組，連接壓力傳感器組、溫濕度傳感器組和主控制器并為其供電的供電單元，以及連接主控制器的電平變換單元；所述壓力傳感器組包括三個并行的壓力傳感器，溫濕度傳感器組包括三個并行的溫濕度傳感器；所述主控制器對壓力傳感器組所采集的環境參數進行處理，輸出精度更高的環境參數結果。本發明將三模冗余技術應用到數字式環境復合傳感器設計中，三個傳感器中單獨一個傳感器的故障不會影響傳感器的正確輸出，大大提高傳感器的可靠性，降低故障率和失效率。
【IPC分類】G01D18-00, G01D21-02
【公開號】CN104792367
【申請號】CN201510201832
【發明人】張芳, 趙嶺, 雷志東, 畢麗華, 郝志忠, 于殿君
【申請人】北京特種機械研究所
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年4月24日