多通道传感器（精选8篇）
多通道传感器 篇1
目前已知的合成化学品超过10万种, 每年还在以上千种的速度增加。这类有毒化学品一旦“入侵”水源, 化学检测方法往往需要很长时间才能作出综合判断, 且难以识别其中的一些有毒物质。全国第十二届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛上, 同济大学环境科学与工程学院的学生以名为“多通道微生物传感器”的生物检测水污染的新发明, 最终摘获本届全国“挑战杯”特等奖。
生物监测的方法目前正在逐步取代传统的化学检测, 应用于水污染的应急管理。生物毒性检测技术的优势在于, 检测人员不必把受污染的水体样品带回实验室, 只要直接拿着生物试剂, 就可以现场做水质综合毒性检测, 为水污染的应急处理提供基础判断。
生物毒性检测方法是使用鱼类、浮游生物、藻类等水生动植物作水体毒性试验, 存在成本高、操作方法复杂等问题。各国的科学家们普遍倾向于利用微生物毒性检测。微生物本身机体小、种群数量大、生长繁殖快, 与高等动物有类似的物理化学特性和酶作用过程, 是一种更理想的“试剂”。
“多通道微生物传感器”的新型生物毒性分析方法, 当毒性污染物存在时, 微生物细胞的呼吸作用, 会表现出相应的电流强度变化, 检测人员可根据待测污染物对生物电流影响的程度, 判断其毒性的强弱。多通道微生物传感器作为一种新型的水安全卫士, 具有检测污染物范围宽、操作简单、不受样品色度和浊度干扰、毒性检测结果更具客观真实性等优势。此项技术已经获得了独立知识产权, 填补了我国环境检测技术领域的一项空白, 具有广阔的市场推广前景。
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关于多通道显示融合技术的研究 篇2
【关键词】多通道显示融合技术 应用 发展
【中图分类号】G【文献标识码】 A
【文章编号】0450-9889（2013）12C-0182-02
近年来，计算机显示技术及多通道投影显示边缘融合技术的发展，给一些需要超大屏幕、超高分辨率展示及曲面投影显示的专业应用领域提供了方便，如北京奥运会“鸟巢”顶部环形大屏幕，上海世界博览会各场馆的特色展示、交通实时监控管制、气象云图观测，以及广泛应用于飞行模拟、铁路机车、特种车辆、航行船舶、汽车驾驶员培训等的模拟训练系统。多通道显示融合技术就是将相邻画面的重叠部分进行拼接融合处理，使其亮度、对比度、色彩保持协调一致，并保证相邻画面边缘对齐无重叠，将整个屏幕完全融为一体，满足超大画面，超高分辨率无缝显示的需求。
一、多通道显示融合技术的运算处理方式
多通道显示融合技术与早期的三维图形加速技术分软件加速、硬件加速一样，根据所采用的运算处理方式分为硬件融合与软件融合两种。硬件融合即采用专业的边缘融合处理器，全硬件实时运算处理架构，可对任意视频源进行多通道显示边缘融合拼接、像素点对点显示输出，不占用任何其他设备处理资源，无需额外添置计算机，且硬件具备可编程机制，可自适应不同投影设备和投影环境的要求，具有非常强的使用灵活性，安装调试无需专业人员，具备融合画面快速调节功能。硬件融合处理整体架构可靠性非常高，开关机过程迅速，通电即能工作，可达到“即插即用”的标准，但硬件融合架构成本非常高，限制了它的使用范围，通常都应用于专业领域。
软件融合技术则是利用计算机的处理资源应用投影融合软件结合多头显示输出显卡的功能实现视频源的多通道融合显示输出，即完全由软件进行融合处理，特点是成本低廉，只需配置一台具备视频采集和多头显示输出功能的计算机即可。受限于融合软件的研发水平，软件融合对不同投影设备、投影使用环境的自适应能力相对较差，且需要专业的调试人员进行设备调试，边缘融合输出效果较硬件融合架构略差。软件融合虽然效果上略逊于专业的硬件融合，但由于成本低廉，因而应用范围非常广。
软件融合的系统主要由通用计算机平台及相应的投影融合控制软件组成。其中通用计算机平台为一台高性能的计算机，配置有高像素、高带宽视频采集卡及支持多通道显示输出的图形加速显示卡，为实现边缘融合软件的实时运算处理，CPU至少采用四核处理器，内存容量不低于4GB。考虑到系统工作过程的稳定性，计算机电源、主板、硬盘等的配置都以高可靠性为前提。投影设备至少配置3台，且尽量采用同一品牌、同一型号以减少不同品牌型号之间产生的匹配问题。软件融合的工作原理是通过视频采集卡将视频信号输入融合计算机，再由投影融合软件将视频图像经过曲面几何校正、画面比例调整、融合带生成以及图像拼接消融等运算处理后将图像划分为多个通道从不同的投影机投影至幕布以构建融合统一、色彩均匀、无变形失真的画面，完美实现高分辨率、无缝拼接的大视景。
二、多通道显示融合技术的应用
目前融合投影技术的应用除最常见的高清影院、广告展示外，已开始向其他领域发展，如高铁机车乘务员培训、多媒体娱乐甚至军事训练等。经过近年来的发展，虽然铁路机车模拟驾驶教学已由最初的事先录制好机车驾驶室运行视频并通过对视频播放速度的控制达到模拟机车驾驶的简单教学向基于计算机虚拟仿真和传感技术的新型机车模拟驾驶系统过渡，但此类系统仅有一个投影通道，画面的尺寸相对较小，虽然可显示基本的机车运行信息，但显示的画面内容还是比较单一。随着铁路多次大提速和动车组的迅速普及，特别是京沪、京广、哈大等高速铁路的开通运营，此类单通道显示模拟教学设备无法满足新时代高速铁路发展的要求，因此基于多通道显示投影技术的新型高速动车组机车模拟驾驶系统应运而生。
多通道显示高速动车组机车模拟驾驶系统组成包括1∶1模拟驾驶操纵台，视景生成计算机，三通道投影融合机，其中融合机即为软件融合系统。视景计算机将驾驶视景实时运算生成后输送给融合机，融合机通过采集卡获得视景画面后经过投影融合软件转换为三通道投影画面，最后由三台同型号的投影机投射至120度的环形幕布实现无缝超宽、高分辨率画面显示，具备身临其境的效果。得益于宽大的画面，可显示的机车运行信息更加丰富，模拟机车运行状态更接近于真实环境，对培训人员从模拟设备平稳过渡到真实车辆的操纵更加有利。
除一些专业应用需要显示融合技术之外，多媒体娱乐领域也通过显示融合技术将更真实刺激的娱乐体验带给人们，如最常见也是最流行的第一人称射击类电脑游戏（FPS）。FPS简单来说就是以游戏玩家的主观视角来进行射击游戏。玩家们不需要像其他游戏那样操纵屏幕中的虚拟人物来进行游戏，而是身临其境地感受游戏带来的强烈视觉冲击，大大增强了游戏的真实感。随着计算机硬件的逐步发展，特别是显示融合技术的出现以及多通道环绕音响的应用，第一人称射击类游戏提供了更加丰富的视觉体验和更生动的音效。在普通的游戏环境下，只有单一的一台显示器，玩家能够观察到游戏画面只有视线前方左右20度范围内的情况，如敌人或者怪物，假如在此范围之外出现情况，玩家必须上下左右晃动鼠标才能观察到，这不符合人眼的观察特性。假如使用多通道显示融合技术则不仅可将视线范围拓宽到左右45度甚至更宽，更可将视线向空间上下延伸，这样玩家不需要晃动鼠标即可将前方情况一览无余，视野更加开阔，如再配合7.1声道的环绕音响，带来的游戏体验将更加真实刺激。应用多通道显示融合技术的FPS电脑游戏软件经过定制改进同样可用于军事训练中，根据美国《国家防务》杂志的报道，美国陆军和海军已计划将类似的培训设备投入到士兵的训练中，合同预算达几亿人民币。在利比亚战争和阿富汗战争中大放异彩，目前美国陆军空军装备数量最多的无人驾驶飞机“全球鹰”、“掠食者”的远程地面控制系统中也有应用显示融合技术的大屏幕用于飞行员遥控操作时对前方战场的有效观察与高效攻击，足可见该技术的应用前景非常之广阔。
三、多通道显示融合技术的发展
不管是硬件融合还是软件融合在视频源之后都少不了一套融合设备，有没有更简单成本更低廉的融合系统解决方案呢？美国Nvidia公司的nvidia surround技术和AMD公司的Eyefinity多头显示技术就是解决方案中的代表。nvidia surround技术是应用两块相同的图形卡通过SLI（允许多个图形卡同时工作而获得更高性能）的方式连接起来，利用三台分辨率相同的显示器将画面分布开来，实现显示融合的效果。Nvidia公司的解决方案目前来看还不够成熟，存在须配置两块图形卡且支持SLI技术的主机、仅支持三台显示终端、配置安装较为烦琐、成本较高等缺点。相对于Nvidia公司的方案，AMD公司的Eyefinity技术则简单实用多了，除投影机、显示器等显示终端外，仅需配置支持Eyefinity技术的图形加速卡即可，因为支持Eyefinity技术的图形卡最少支持三通道显示输出，可通过图形卡驱动程序里的多画面边缘融合功能简单拼接，实现大屏幕输出，因此无须单独配置融合设备。如果将两块相同的图形卡配置于支持Cross Fire技术（类似于SLI技术）的主机中可实现六个屏幕的显示融合输出。目前支持Eyefinity技术的图形卡最便宜的只需200多元，组建简易的三通道融合系统成本非常低廉，但效果还是不能与单独配置融合系统相提并论，仅仅是简单应用而已。相信在不久的将来，随着计算机显示技术的发展，融合技术将越来越先进，经过融合输出后的画面形状将更多样化，画面边缘将差异更小，让人无法分辨，系统成本也愈发低廉，大屏幕融合技术将得到普及，应用领域将更加广泛。
【作者简介】谢 健（1980- ），男，广西南宁人，柳州铁道职业技术学院机电工程系CAD综合实训室实验员。
多通道传感器 篇3
近年来可穿戴式设备大量涌现,如谷歌眼镜、咕咚手环、i Watch等等。可穿戴式设备泛指嵌入在服装,或以饰品形态存在的电子通信智能设备,可以被用户舒适地穿戴,起到拓展感知、进行各类体征监测等作用。它本质上就是对日常设备如眼镜、手表、鞋等进行智能化设计[1],使其具有友好的人机交互功能。可穿戴式设备的市场需求在快速增长,用户对可穿戴式设备的功能要求也越来越多。但是,复杂功能的实现往往依赖多路传感器信号的实时采集。多路传感器系统是可穿戴式设备的重要组件,是可穿戴式设备获取信息的来源,有监测数据、传输数据等功能。对于一个可穿戴式设备,它一般主要包括传感器和数据计算芯片两部分,其中传感器的更新换代频率较低,可能几年内都不会有大的升级。而计算芯片部分的换代频率很高,应当更多将硬件设备本身仅仅作为一个超级传感器系统,将计算部分独立出来交给手机或云计算,因此对可穿戴式多通道传感器系统的研究很有必要。
可穿戴式设备用户要求佩戴舒适,柔性要好,PVDF(聚偏氟乙烯)压电传感器正好满足柔性好、质量轻等特点[2]。所以本文以可穿戴式8通道PVDF传感器系统为例,研究了这类系统的功能需求,并依此设计了一套评价选型系统,提出了一个实用、可靠的多通道传感器系统设计方案。
2 可穿戴式多通道PVDF传感器系统的功能需求分析
可穿戴式多通道传感器系统需要实现采集多路传感器数据并简单处理打包,实时可靠的传输到其他设备。由于这类设备的可穿戴式特点即设备需要轻薄化和低功耗性以及数据传输的实时性、可靠性等特点,该可穿戴式多通道传感器系统对其使用的MCU部分、数据的编码方式、数据的传输方式及系统的低功耗方面均有着其特殊的要求[4]。
2.1 系统MCU需求分析
该可穿戴式多通道传感器系统的数据要传输到其他设备,其他设备往往是Android系统或i OS系统。如果该系统没有此MCU,则该系统需要直接与Android系统的ARM芯片相连接或者其他系统的微处理器直接相连,会造成诸多不便。以该传感器系统为下位机,Android系统的ARM芯片为上位机为例,不便之处有:传感器系统主要采集的目标信号是人体生理信号如人体手腕或脚腕运动时肌肉产生运动信号等,该系统输出的传感信号信号弱、干扰强,若没有放大等预处理,则不能直接与Android系统ARM相连接。因此,需要前置信号预处理电路,所设计的前置放大电路包括放大、滤波等功能。即使Android系统的ARM芯片带有放大模块,但也并不能满足要求。放大这类传感器信号一般需要仪器仪表放大器,性能要求较高。传感器系统有8个传感器采集到8路传感信号,则至少有8根信号线需要输入MCU。基于系统可靠性和便捷性考虑,也不方便直接与Android系统的ARM芯片相连。出于模块化设计的考虑也需要在该多通道传感器系统中使用此MCU。综上,我们可以发现,选用的MCU需完成信号的收发,A/D转换,并入串出以及与前期传感器信号的预处理电路相连接等功能。
所以,对于所选用的MCU,功能上需要至少有8路A/D转换通道,并满足一定的精度要求。硬件结构上,考虑到可穿戴式设备的便携性,MCU的尺寸要小,厚度要薄。此外,低功耗是便携式电予设备必须具备的一个关键特性。为了实现这个目标,MCU工作时功耗要低。
2.2 系统数据编码方式及传输方式需求分析
可穿戴式多通道传感器系统的最主要也是最终的功能,就是提供一组包含各种信息的传感器数据,这些数据的格式能与现在主流的一些通信协议的数据格式所匹配。使得该系统能直接与Android系统或i OS系统适配,把采集到的数据实时、可靠、便捷地传输出去。
本文设计的可穿戴式8通道PVDF传感器系统,主要采集的目标信号是人体生理信号,这些信号主要集中在0-100Hz,即传感器系统的每通道信号的频率范围均为0-100Hz,8个通道最大即为800Hz。工程应用上进行A/D转换时,采样频率至少是10倍的输入的模拟信号的最大频率,所以我们采用的采样频率为10KHz,这个采样率满足了后期对信号在数字域处理的要求。因为考虑到实时传输数据的要求,数据帧设置为10ms一帧,即下位机每隔10ms发送一帧数据给上位机,实际上上位机每次接受的数据都是下位机前10ms采样得到的数据,采样频率为10KHz时,10ms采样得到的共100个数据。因为MCU的资源和处理能力不够,所以需要把采集到的数据实时发送给上位机来进行处理。但是,数据采集后若直接发送,会由于实时采集,数据量大,缓冲区太小,发送不完而丢包。所以需要合适的编码协议和通信协议来保证通讯的可靠性。这样的话,下位机主要负责采集、打包,满足简化、精度和实时的要求即可。而需要计算的数据则交由上位机处理。同时考虑到传感器的更新换代比较慢,而上位机处理芯片的更新速度很快,我们采用的这种方案在一定程度上也能降低成本。
对于系统数据编码方式,我们需要的是实时可靠的编码方式和通讯协议。并且,传输出去的数据格式需能与主流的通讯协议数据格式相匹配。同时,编码方式及传输方式同样需要考虑低功耗的要求。
2.3 系统的低功耗需求分析
对于可穿戴式设备,续航时间是必须要考虑的。续航能力主要由两个因素决定,分别是电池容量和功耗,电池容量越高越好,而功耗则需要降到最低。不幸的是,在新的电池技术或者材料出现之前,电池容量可提升的空间非常有限,而且可穿戴式设备在尺寸上的要求也比较严格,所以想通过更换大容量的电池来增加续航时间是不切实际的。所以压力几乎落在如何降低功耗上了,这就需要必须进行低功耗设计来满足用户需求。
系统的低功耗需求主要包括以下几个方面。首先,在传感器系统硬件开发时尽量采用低电压低功耗的产品[5]。比如,传感器系统的放大、滤波预处理电路部分,一般选择低功耗的芯片。同时,在主控芯片的选择上,我们一般选择具有省电模式的主控芯片。其次,在作为系统的主控制器MCU在工作时也需要进行低功耗设计,MCU的工作主要包括MCU对多路传感器信号进行A/D转换、数据的简单处理打包和数据的传输。最后,要求有灵活多变的低功耗管理模式,简单快速的休眠唤醒机制,使得MCU在空闲期可以快速切换至不同深度的休眠状态,并能及时被唤醒。我们可以进行主控芯片或者相关模块唤醒的方式选择。即在实现基本功能的同时根据系统低功耗的需求对软件算法进行优化。
3 可穿戴式多通道PVDF传感器系统的设计
根据上文对系统的需求分析研究发现,柔性超轻薄化、长续航时间是这类可穿戴式设备的最显著的特点。所以可穿戴式多通道PVDF传感器系统要围绕这两个显著特点来进行设计。
3.1 系统MCU选型
根据可穿戴式多通道传感器系统的功能需求分析,本文主要围绕可穿戴式多通道PVDF传感器系统的低功耗性和高集成度这两大特点,对比了市场一些主流的MCU产品,进行了分析,最终得出合适的MCU选型。
表1和表2选取目前市场上的主流的MCU产品,对比了它们的功耗参数与系统指标。首先,可穿戴式8通道PVDF传感器系统需要有至少8通道的A/D转换通道,表1中的MCU均满足。但由于采集的目标信号为人体生理信号,一般信号都很微弱,所以要求ADC的精度越高越好。ADC精度比较高的为STM32的两款MCU。相较于STM32F1系列,STM32L1系列的休眠功耗更低,工作电压范围更广,A/D转换通道数更多。其次,根据可穿戴式系统对尺寸的样严格要求,STM32L151R6具有的TFBGA 64型封装,尺寸仅为5mmx5mmx1.2mm,尺寸完全达到要求。最后STM32L151R6是Cortex-M系列32 bit内核的MCU,但在功耗水平上已与传统16 bit低功耗MCU相当,处理能力却优于16bit的MCU。而且STM32L151R6的价格也较适中[8]。选用STM32L151R6的还具有一个很大的优势在于STM公司具有完善的基于STM32的系统方案、软硬件成品模块,已形成较为完善的生态系统,开发门槛低、参考资源丰富和经验分享直接[6]。STM32L151R6的多种优势促使我们最终选择了STM32L151R6作为本文可穿戴式8通道PVDF传感器系统的MCU。
3.2 多路传感数据的编码设计
因为采集到的8通道PVDF传感器数据需要实时、准确的传输给上位机,所以需要对采集到的数据需要进行一些编码和简化。本文首先选择了ADPCM编码对数据进行压缩编码,然后使用了CRC16和卷积编码对数据进行了纠错编码。我们采集的目标信号和语音信号非常类似,数据之间的相关性比较强,存在大量冗余且最终利用传感信号主要是对信号的形态等进行分析,而不是得到精确数值。ADPCM算法综合运用了差分脉冲编码(DPCM)与自适应增量编码(ADM)的算法原理,在保证达到PCM语音质量的前提下,语音数据的速率只有PCM的一半,而且具有更优良的抗误码性能。ADPCM的核心想法是:1)利用自适应的思想改变量化阶的大小,即使用小的量化阶去编码小的差值,使用大的量化阶去编码大的差值。2)使用过去的样本值估算下一个输入样本的预测值,使实际样本值和预测值之间的差值总是最小[13]。本文采用ADPCM压缩算法,数据的压缩比可达到4:1。
为了提高数据的可靠性,对数据进行压缩编码完需要进行一些检错纠编码。循环码CRC虽然只能检错不能纠错,但计算复杂度低,检错能力强,增加的冗余位也少[14]。而卷积码纠错能力强,虽然计算复杂度高,但可通过查表法计算大大降低计算复杂度。本文选择了CRC16校验编码和(2,1,4)卷积编码对数据进行了检错纠错编码。循环冗余校验(CRC)算法是常用的误码检测方法之一,它是由分组线性码的分支演化而来,其主要应用是二元码组,编码简单且误判概率很低,接收端对数据使用CRC算法可有效剔除数据传输中的误码。算法实现上CRC16编码采用查表法。CRC16码由两个字节构成,在开始时CRC寄存器的每一位都预置为1,然后把CRC寄存器与8bit的数据进行异或,之后对CRC寄存器从高到低进行移位,在最高位(MSB)的位置补零,而最低位(LSB,移位后已经被移出CRC寄存器)如果为1,则把寄存器与预定义的多项式码进行异或,否则如果LSB为零,则无需进行异或。重复上述的由高至低的移位8次,第一个8-bit数据处理完毕,用此时CRC寄存器的值与下一个8-bit数据异或并进行如前一个数据似的8次移位。所有的字符处理完成后CRC寄存器内的值即为最终的CRC值。CRC16编码每次移位除法运算都用查表法来代替,计算复杂度低。每次对一帧数据进行完CRC16编码即得到了一个16比特的校验码。采用16位的CRC算法,可以保证在1014bit码元中只含有一位未被检测出的错误。卷积码是一种纠错编码,它是将输入的k个信息比特编成n个比特输出,特别适合以串行形式进行传输,时延很小。它包括:一个由N段组成的输入移位寄存器,每段有k段,共Nk个寄存器;一组n个模2和相加器;一个由n级组成的输出移位寄存器,对应于每段k个比特的输入序列,输出n个比特[16]。(2,1,4)卷积码就是将每次输入的2bit信息都编码成4bit。卷积码的计算量较大且复杂度较高,而本文采用了查表法来进行数据的卷积编码。先在matlab里利用convenc(msg,t)函数生成了(2,1,4)卷积码的编码表,编码表大小为28*16比特,然后在下位机的MCU中直接查表进行编码,大大提高了编码速度,降低了算法复杂度,同时也降低了MCU的运行功耗。
8路传感数据的具体编码方式如图1:由上文可知,数据帧每隔10ms发送一次,每帧的原始传感数据共100个,由于使用的STM32L151单片机ADC精度为12位,所以采集到的数据实际为100*12bit,只占一个字的低12位,最高位即第16位设置为一位控制位,控制位为0时表示当前数据为数据信号,为1时表示当前数据为控制信号。8通道的通道号编码为000~111,占据第13~15位,100个数据共占用200个字节。首先,对这200个字节的数据进行ADPCM编码,编码完数据压缩到只有100*4bit,占用100个字节。然后将数据两两组合成一个8bit,数据帧已经压缩到50*8bit,只占用了50个字节。其次再对数据帧进行CRC16编码,即求一个16位的校验值。加上校验值此时数据帧共52个字节。最后对数据帧进行(2,1,4)卷积编码,卷积编码完数据帧共104个字节。
3.3 传感数据传输方式设计
实时可靠的数据传输,除了依赖一个实时可靠的数据编码方式,数据的传输方式也很重要。考虑到该可穿戴式多通道传感系统的兼容性和应用的多方面性,本文设计了两种传感数据传输的方式。一种为有线传输方式,一种为无线传输方式。
3.3.1 传感数据的有线传输方式设计
关于有线传输方案的选择,我们选取了I2C,USB,SPI,RS232等四种常见的传输方案进行了比较。通过分析对比这几种常见的有线传输方式,我们最终选择I2C作为系统的有线传输方式。I2C有以下几个显著优点:1)硬件简单,资源消耗少。只有两条总线线路:一条串行数据线(SDA),一条串行时钟线(SCL),节省了线路空间,增加了系统的稳定性。所以,在尺寸方面,由于USB以及SPI有4根连线,RS232有9个引脚。这些与I2C只有2条总线线路相比而言,不可避免地会带来连线及外围电路所占空间过大的问题。就尺寸而言,I2C应是我们在这些有线传输方式中的理想选择。2)它是一个真正的多主机总线,通过SDA上的地址信息来锁定从设备,如果两个或者更多主机同时初始化数据传输可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏。SPI总线只有一个主设备,主设备通过CS片选来确定从设备。3)I2C串行的8位双向数据传输速率在标准模式下可达100Kbit/s,快速模式下可达400kbit/s,高速模式下可达4.4Mbit/s。本方案每10ms至少传输104个字节,采用的传输方式速度至少为83.2Kbit/s。I2C的传输速度完全符合要求。4)使用I2C与RS232相比,还有一个突出的优点:I2C采样同步通信,RS232采用异步通信。而同步通信控制字符开销较小,传输效率高;而异步通信字符帧中,假设只有起始位、8个数据位和停止位,整个字符帧中的控制位的开销就达到了20%,传输效率较低。5)使用广泛,现在几乎所有的IC厂商都在芯片上集成了I2C[17]。
3.3.2 传感数据的无线传输方式设计
关于无线传输方案的选择,我们选取了Zig Bee,NFC,红外,蓝牙等四种常见的传输方案进行了比较。在使用距离上,红外传输是一种点对点的无线传输方式,不能离的太远,要对准方向,且中间不能有障碍物,几乎无法控制信息传输的进度[23]。而蓝牙可传输10米左右,加强信号后最高可达100米,可以绕弯,可以不对准,可以不在同一间房间,链接最大数目可达7个,同时能够区分硬件。Zig Bee就是一种便宜的,低功耗的近距离无线组网通讯技术。但由于在传输速度方面,Zig Bee很低,不适用于多通道PVDF传感器系统高数据量的应用场合。同时,由于使用Zig Bee时硬件资源开销大[24],短期内手机不支持,不利于产品的推广。NFC优点是配置简单。但由于使用距离过短,且我们使用的可穿戴式设备尺寸超薄,NFC会产生高频趋肤效应[25],可能会有一些潜在的健康安全问题。并且目前NFC的兼容性也不是很好,很多手机并不支持NFC。这些问题促使我们最终选择的无线传输方式为蓝牙,具体本方案选择的是i484e-s模组。此产品集成了两个芯片分别为:蓝牙芯片为CSR8811(基于蓝牙24GHz无线电和基带芯片系统)和STM32F401(基于高新能ARM Cortex-M4的32位RISC)。尺寸仅为15.7*12*2.3mm。它支持蓝牙标准4.0低功耗模式及可向下兼容。可以通过I2C有线方式转为蓝牙模式。速度可达32KByte/s即256Kbit/s。全速传输数据时功耗仅为2m A,使用标准纽扣电池可运行一年乃至数年。
3.4 低功耗设计
一个传感器系统的功耗是出多方面因素决定的,整体的功耗取决于诸多因素,如产品性能、供电电压等。在实际应用中,往住频率越高功耗越大;电压越高功耗越大。对于低功耗检测系统的设计,应该主要从芯片和器件的选择、系统的技术指标以及系统的工作方式等方面加以考虑。
3.4.1 器件和芯片的选择
对于低功耗系统,电路中所采用的器件和芯片的选择至关重要,其直接从硬件电路上影响系统功耗的大小。因此,为降低功耗,必须合理选用器件和芯片。1)电源部分的选择。由于锂电池较高的能量转换效率等优点,现在可穿戴式设备上使用的电源一般均为锂电池。本方案选择电池为聚合物锂电池,具体型号为803040,容量为1000m Ah,尺寸仅为40*30*8mm。并选择了一款用于便携式设备的200m A、低IQ、低噪声、低压降稳压器芯片,型号为TLV707,尺寸仅为1*2mm[27]。2)选用低功耗微处理器。本文选用低功耗的STM32L151R6,具有精简而高效的CPU内核,从而可以维持性能、功耗与成本的三者平衡;CMOS电路工艺,低电压供电系统,供电电压在1.65-3.6V均可;灵活多变的低功耗管理模式,简单快速的休眠唤醒机制,使得MCU在空闲期可以快速切换至不同深度的休眠状态,并能及时被唤醒;独立的外设时钟控制开关,多种内外时钟源选择。运行功耗仅为185u A/MHz,休眠功耗仅为1.2 u A。3)传感信号的预处理电路部分,选择了美信公司的MAX9618运算放大器搭建每通道传感器的信号的预处理电路,包括放大部分及低通滤波部分。MAX9618是低功耗、零漂移运算放大器,提供节省空间的采用2mm x 2mm、8引脚SC70封装设计支持满摆幅CMOS输入和输出,整个时间和温度范围内电源电流仅为59µA,零温漂输入失调电压最大值仅为10µV,非常适用于可穿戴式设备[27]。
3.4.2 低功耗系统工作方式的选择
可穿戴式8通道传感器系统的MCU为低功耗的器件,而且具备降低功耗的各种工作方式,如休眠、掉电等工作方式等。在设计低功耗系统时,就应当充分利用这些特点,使系统尽量在这些工作方式下工作。1)MCU进行A/D转换及编码时都采用最低的时钟频率来工作以降低功耗,编码算法最简,CRC16及(2,1,4)卷积编码均采用查表法,缩短了程序每次的执行时间。2)当本文的可穿戴式多通道传感器系统作为下位机时,它采集数据与否由上位机控制,当上位机发出命令时,MCU才被唤醒,该系统再开始工作开始采集数据。
4 系统总体设计方案
本文设计的可穿戴式多通道PVDF传感器系统的系统总体方案如图2,首先多路传感器采集人体生理信号,采集到的数据经过放大、滤波,送入STM32L151单片机,进行A/D转换,将模拟信号转换为可方便处理的数字信号。STM32L151单片机对A/D转换后得到的8通道数据进行了编码和打包,再发送给上位机。由于传输方式的兼容性,上位机可以是Android平台或IOS平台。
5 结束语
自20世纪60年代麻省理工实验室的几位科学家提出可穿戴式设备的概念以来,人们就开始不断探索应用穿戴式技术,对日常穿戴用品进行设计开发以期开发出可以穿戴的智能设备。随着技术的进步及用户需求的变迁,可穿戴式智能设备的形态与应用热点也在不断变化。在这样的背景下,进行可穿戴式多通道传感系统的功能需求分析及设计有着非常的实用意义,本文以可穿戴式8通道PVDF传感器系统为例,研究了这类系统的功能需求,发现柔性超轻薄化、长续航时间是这类设备的特点,并依此设计了一套评价选型系统,完成了系统的MCU选型、传感数据的编码方式、传输方式及低功耗设计等关键技术问题,得到了一个实用、可靠的系统设计方案。本方案也为可穿戴式多通道传感器系统的设计与开发提供了一个可靠参考。
摘要：近年来可穿戴式设备大量涌现,用户对可穿戴式设备的功能要求也越来越高,但是,可穿戴式设备复杂功能的实现往往依赖多路传感信号的实时采集。本文以可穿戴式8通道PVDF传感器系统为例,研究了这类系统的功能需求,研究发现,柔性超轻薄化、长续航时间是这类设备的两个显著特点,并完成了系统的MCU选型、多路传感数据的编码设计、多路传感数据的传输方式设计及系统的低功耗设计等关键技术问题,设计了一个实用、可靠的可穿戴式多路传感器系统设计方案。本方案也为可穿戴式多通道传感器系统的设计与开发提供了一个可靠参考。
PT100双通道传感器测温设计 篇4
关键词：C51,PT100,温度测量,AD7705
1 概述
PT100广泛用于各种产品、设备之中, 其结构一般是用铂丝在陶瓷等绝缘支架上绕制而成, PT100与热电偶不同, 属于无源传感器, 需要额外的激励来产生电信号输出。
PT100的激励设计必须小心谨慎, 激励电流会产生自热, 回路导线和接插件的接触电阻的影响还是不能忽略的;虽然PT100的线性度很好, 二次项系数在许多高精度测量环境中还是不能忽略。鉴于现在电路设计中数字电路的适用规模在不断扩大, 模拟和数字电路经常无法有效的分开设计, 这种混合电路设计对模拟部分, 尤其是地线的拓扑结构, 都提出了较高的要求。
鉴于以上特点, 笔者在设计该类电路中的设计原则是:简单!环节越少越好, 能数字处理的就不用电路实现, 这样就避免了电路设计、调测的难度, 也降低了因器件的个体差异带来的离散性。以下内容就传感器的激励、采样方式和布线进行探讨。
2 原理分析
在现在电磁干扰大部分都很严重的条件下, 电流激励方式由于其很好的抗干扰性能而被普遍采用。交流和直流激励源都能很好的满足激励的要求, 在满足设计要求的前提下, 加上数字滤波等技术处理, 直流激励完全能满足大部分产品的技术要求。
传感器信号的采集是通过ADC来量化实现的, 如果ADC的基准和激励源共用同一个基准, 转换过程采用和基准无关的比率工作方式, 将会大大提高转换精度和准确度。由于公用基准源, 若传感器测量的变量没有改变, 则ADC的数字输出量就不受激励源 (基准源) 的波动而变化, 也没有非比率工作方式的需要两个高精度基准的定标问题。比率工作方式允许利用系统的模拟电源进行调理和量化, 可以获得与电源稳定性无关的高精度测量, 现在许多SOC芯片上ADC的并没有单独的基准, 比率工作方式就能让这类芯片同样获得较高的测量精度。因此, 工程师在设计高精度、高分辨率的数据采集系统时, 要牢记在有条件的场合下优先采用比率工作方式。
热电偶的布线方式有2-3-4线三种方式供选择使用, , 在合理选择性价比的情况下, 减小回路分布电阻对结果测量误差是布线方式基本的选择依据。其中四线方式主要是依靠差分放大器的高阻抗输入来实现高精度测量的目的, 导线和芯片已经不是决定传感器价格主要因素, 因此如果利用有高阻输入的差分的放大器或AD转换芯片, 4线是值得推荐的方式。
3 电路设计
根据以上各种情况的分析, 笔者采用价格相对便宜的AD7705来实现PT100的采集电路设计 (如图一) 。在AD7705的设计方案中, PT100的线性修正是用软件来实现的, 图中可以清楚的看到ADC的基准和两路信号分别是来自激励电流在R4和两个PT100上形成的压降, 整个ADC侧的输入都是高阻特性, 传感器回路的分布电阻对测量结果影响极小。
电源系统是5V供电, 首先是确定温度范围:粗略估算要测量的范围是0℃-250℃, PT100的最大阻值将近200欧姆, 内部放大器的增益设定为32, 则R4阻值要大于32x200=6.4K欧姆, 选用常用阻值整定为6.8K;激励电流控制在0.5mA左右, 对于该5V系统就要求回路电阻约10K左右, 因此选用常用阻值3.3K;AD7715的基准和采样端都是高阻输入, 为选择阻容参数提供了更大的自由度, 可以根据采样率的要求灵活选用。整个电路设计就这么估算就能完成, 余下的事情就是如何用软件采集和计算对应的温度了。
4 软件设计
我们先从计算公式入手分析软件的具体内容 (下面主要分析0℃以上的计算) :铂热电阻的温度特性.在0~200℃范围内
其中令f (t) = (1+A*t+B*t2) ;A=3.90802E-3;B=-5.802E-7。
AD采样中的电阻计算公式为:
其中:Rref是图一中的标准电阻R4;
GAIN是AD7715内部的放大器增益设定32;
ADC是模数转换结果;ADCmax是其最大值。
以上两个公式联立得到:
我们把常量集中在一起:
令Pconst=[Rref/ (ADCmax*GAIN*R0) ], 得到:
根据公式3可以清晰看到只有一个需要定标的常量参数, 这个常量参数是随标准电阻和PT100的个体差异而变化的, 在实际软件设计里, 需要对该常数做修正用于定标。
余下的工作就是求解公式3这个方程, 但是单片机求解这个方程还是很浪费资源的, 这里采用近似的方法计算的:如图二所示, 在某点温度t0附近, 因为二次项B值较小, 而且远离顶点位置, 在小范围的邻域内两条线基本上可以近似为平行线, ABCD基本上就是一个平行四边形。通过AD采样并计算可以得到阻值Pt100在t时刻的Ft, 显然两条线同样的Ft分别对应温度t1和t0;两条平行线在t1这个温度点上对应的阻值Ft差距是BC线段的长度, 比较f1 (t) 和f2 (t) 得知BC=|B*t1^2|, 根据平行四边形的特点, DA=BC因此Ft1=Ft0+|B*t1^2|, 从图2可以看出再次利用f1 (t) 就可以计算得到近似的真实值t;
根据以上分析, 我们用C语言实现温度的计算, 以下是基于C51实现的计算实例:
软件和电路一样的简洁, 100℃处的计算误差也仅有0.03℃, 满足大部分技术要求。
5 结束语
实验测试结果表明, 整个电路达到0.1℃的稳定精度, 达到了设计目的, 电路、软件都简单明了, 采用此方法的温度控制系统已经在多处设计中应用, 同样的电路和软件也适用与其他阻值的铂电阻, 该电路和软件的设计思路希望能给硬件工程师做些有益的参考。
参考文献
多通道传感器 篇5
基于自然特性的自主导航方法,在较大范围内很难受到人为因素的干扰,隐蔽性高、抗干扰性强,是现代导航技术的重要补充,因此,得到了越来越多的重视。仿生偏振光导航方法是一种基于自然特性的自主导航方法,是以沙蚁等生物高度敏感的偏振视觉感知与导航功能为仿生基础,以太阳光的自然偏振特性与大偏振模式理论为依据,通过对大气偏振模式的检测和演算,实现对载体姿态信息的判断[1]。
如何从大气偏振模式中提取有效的航向角信息是仿生偏振光导航中的关键问题[2,3,4,5]。20世纪末,R.Wehner等结合沙蚁POL-神经元(Polarization-sensitive Neurons)的偏振信息处理机制,提出了POL-神经元模型,并根据该模型设计了六通道偏振光导航传感器[6]。现有的偏振光导航传感器大多以POL-神经元模型为基础,由若干相互正交的偏振信息检测通道组成,合肥工业大学高隽等研制了四通道偏振光导航传感器[7,8], 大连理工大学褚金奎、北京大学晏磊等研制了六通道偏振光导航传感器[9,10],中国科学院上海光学精密机械研究所王向朝等研制了四通道偏振光导航传感器[11]。然而,在实际应用中,基于POL-神经元模型的偏振光导航传感器中检偏器阵列的相对角度难以保证,存在不可避免的偏振正交误差[12]和单元间相对角度误差;此外还存在通道间信号增益差异误差[13]。
为提高偏振光导航传感器的精度,本文针对基于POL-神经元模型的偏振光导航传感器存在的偏振正交误差,以及单元间相对角度误差和通道间信号增益差异误差,进行了深入的分析,提出了一种独立通道偏振罗盘信息检测方法,并且设计了基于分时复用技术的独立通道偏振光导航传感器,同时,提出了相应的标定方法和误差补偿算法。
1POL-神经元模型
基于POL-神经元模型的偏振光导航传感器,利用若干个相互正交的偏振光检测通道,测量天空中某个小区域的偏振信息,获得测量时刻该区域的天光偏振化方向(即E-矢量方向)与传感器参考轴方向在测量平面上投影的夹角,为载体提供导航方向角信息。传感器一般采用四个或六个偏振光检测通道,四通道偏振光导航传感器结构如图1所示,包括两组偏振光检测单元(Unit),每个偏振光检测单元包括一对相互正交的偏振光检测通道(Channel)和一个对数放大器,每个通道主要由滤光片、检偏器和光电二极管等组成。
光电二极管把光强信号转化为电流信号,每个偏振光检测通道的输出电流分别为
式中: n为不同的通道,kn为光强/电流转换系数, I为入射光线光强, d为测量区域的偏振度(简称偏振度),Ф为测量区域的偏振化方向与传感器参考轴的夹角(简称偏振角),fn为各通道检偏器偏振化方向与传感器参考轴的夹角。假设各检测通道的光强/电流转换系数Фn值相同,由P1(Ф) 和P2(Ф) 可以求出偏振角d和偏振度Ф[7]。
在实际应用中,各通道的信号增益差异,会导致POL-神经元模型传感器的测量误差。由于光电二极管, 检偏器和后端放大器件性能差异等因素,导致各个检测通道的光强/电流转换系数k与检测单元电压放大系数的不一致,信号增益的差异使得传感器中存在加性误差和乘性误差[13]。为了降低这两类误差对传感器测量精度的影响,文献[13]给出了信号处理与误差补偿方法,可对各通道信号的漂移误差分量和幅值误差进行一致性补偿。但是当光线环境变化之后,电路增益需要随之改变,需要对补偿电路重新进行调整。
检偏器的实际装配位置与理论设计会存在差异,如图1所示,虚线指实际装配位置,实线指理论设计位置,假设四个通道实际偏振化方向与理论偏振化方向的差值分别为1、2、3和4,则两对偏振光检测通道之间的偏振正交误差为121与243[12],两个检测单元之间的相对角度误差为 31。文献[12]分析了偏振正交误差对基于POL-神经元模型的偏振光导航传感器测量精度的影响, 通过理论和实验验证,得出降低系统偏振正交误差,可以明显提高传感器测量精度的结论,为使传感器测量精度能显著提高,需要传感器同时满足处于最优位置和偏振度较大两个条件。然而,传感器的测量精度随着偏振度的减小而减小,大气偏振度与时间、地点和天气条件等有关,并不能保证一天之中偏振度一直处于较高的水平。
2独立通道偏振罗盘信息检测模型
为提高偏振罗盘的检测精度,提出了独立通道偏振罗盘信息检测模型(简称独立通道模型)。独立通道模型是利用多个相互独立的偏振光检测通道,测量天空中某个小区域的偏振信息,获得测量时刻该区域的天光E-矢量方向与传感器参考轴方向在测量平面上投影的夹角f 。如图2(a)所示,太阳子午线与地理正北的夹角fSM可以由当地的经纬度和时间等参数求出,另外,由天顶区域E-矢量方向与太阳子午线垂直关系, 求出独立通道模型参考轴与地理正北的夹角Ф0=Ф+π/2 +ФSM,即偏振罗盘输出的航向角。
建立独立通道模型如图2(b),包括三个相互独立的偏振光检测通道,每个通道主要由滤光片、检偏器和光电二极管等组成。设三个通道检偏器的偏振化方向分别为Ф1、Ф2和Ф3,则各偏振光检测通道输出:
其中:I为入射光光强,d为偏振度,Ф 为偏振角,Фn为各通道检偏器偏振化方向与传感器参考轴的夹角; kn与ln为电路增益系数,均为常数,kn表示各通道光强/电流转换系数,其大小由滤光片、检偏器和光电二极管等决定,ln表示各通道电流/电压转换系数,其大小由后端放大电路决定。若k1=k2=k3、l1=l2=l3,且以通道1检偏器的偏振化方向作为参考轴(即Ф1=0 ),定义Y轴为正方向,令x =dcos2Ф ,y =dsin2Ф , 由式(2)可得:
令a=S2(Ф)/S1(Ф),b=S3(Ф)/S1(Ф),由式(3)可得:
由于x =dcos2Ф,y =dsin2Ф ,因此:
由于反余弦函数是多值函数,往往取它的单值支,值域为 ,0[π]。根据公式计算出而实际上为还原出的实际值,增加角度响应范围,将带入再次求出d (记作d¢ )。理论上d¢ 恒为正值,但是由于反余弦函数的多值性,计算得到的d¢ 具有负值。取式(5)中Ф 的一个多值解 π-Ф ,将d' 的负值点对应的Ф 值变换为 π-Ф ,则2sinФ 变为 -2sinФ,可以保证d' 恒为正值。因此,可以将Ф的值域扩展为 [0,π],即:
独立通道模型与POL-神经元模型相比,由于不具有类对数处理结构,不存在正交通道,有效克服了偏振正交误差;各通道间相互独立,有效避免了由通道间信号增益差异带来的加性误差。在信息处理方法上, 独立通道模型不要求三个通道检偏器的偏振化方向为某组特定的值,只需要三个通道检偏器的偏振化方向互不相同,即可求出偏振角与偏振度,因此,只需要标定出各通道检偏器的实际偏振化方向,就可以对检偏器阵列的相对角度误差进行有效的误差补偿。
3独立通道偏振光导航传感器设计
3.1硬件结构
基于独立通道偏振罗盘信息检测模型,本文设计了采用分时复用技术的独立通道偏振光导航传感器(简称独立通道传感器),主要包括偏振光检测模块、无偏通道(用于感知光强,为可变增益放大器件提供基准)、 多路选择器和信号处理与运算模块,整体功能框图如图3(a)所示,实物图如图3(b)所示。偏振光检测模块包括滤光片、偏振片和四象限光电二极管。一个四象限光电二极管构成传感器的四个检测通道,将其分为三个偏振光检测通道和一个无偏通道,三个偏振光检测通道分别安装不同偏振化方向的偏振片。信号处理与运算模块包括I/V转换器、可变增益放大器、A/D转换器、控制MCU和信息处理MCU等。
地面的太阳光强弱与太阳高度角密切相关,在晴天条件下,太阳光的强弱与太阳高度角的正弦成正比, 因此,早晚和中午的光强有着较大的差异。为了保证传感器可以在不同强度的大气光背景下,具有稳定一致的信号输出,传感器设计一个无偏通道用于测量大气光背景强度。由于偏振光检测通道偏振片的影响, 在相同光线条件下,无偏通道光电二极管感受到的光强大于偏振光检测通道光电二极管,因此,在无偏通道光电二极管上方安装透光率为40%的薄膜。把无偏通道作为传感器的光强基准,通过判定该通道的输出值,控制传感器的可变增益放大器的增益系数,使得无偏通道的输出值稳定在一定范围内。由于传感器中的四个通道分时复用放大电路,因此当无偏通道的输出值稳定在一定范围时,三个偏振光检测通道的输出值同样稳定在一定范围内。
3.2标定与误差补偿
实际上,独立通道传感器在制作和装配时,同样存在通道间信号增益差异与检偏器阵列的相对角度误差。但是,与基于POL-神经元模型的传感器相比,多个偏振光检测通道相互独立,这种独立性可以实现传感器的有效标定,并且通过误差补偿算法有效减小上述误差对传感器测量精度的影响。
如第2节模型所述,独立通道传感器的每个通道的增益为knln。电流/电压转换系数ln由I/V转换器和可变增益放大器共同决定,由于采用分时复用技术,各通道利用同一个I/V转换器和可变增益放大器进行信号调理,各通道ln值是一致的;光强/电流转换系数kn由滤光片,检偏器和光电二极管共同决定,在传感器装配完成之后,各通道的kn值是固定的;此外,各通道的n在传感器装配完成之后也为固定值。
对独立通道传感器进行标定,标定出各通道kn值之间的比例关系和n的实际值。将传感器对准偏振光源固定在高精度旋转平台上,旋转平台以转速60°/min匀速旋转,传感器采样速率120次/分钟,即旋转平台每旋转0.5°传感器采样一组数据。控制旋转平台旋转360°,传感器共采样720组数据,则三个偏振光检测通道的理论输出为
式中 表示传感器放置在旋转平台上的初始位置与偏振光源偏振化方向的夹角。 取任意值均可实现传感器的有效标定。以通道1作为基准,各通道的系数kn值与通道1的系数k1之比记为mn1:
将传感器各通道的采样值代入式(8)中,即可标定出各通道增益比,Sn表示各通道采样点的均值,即:
各通道的参数n与采样点的关系为
将传感器各通道的采样数据代入式(10)中即可标定出各通道偏振片的实际偏振化方向(记为n)。
用标定参数对独立通道传感器的各偏振光检测通道的输出数据进行误差补偿得到各通道输出实际值:
根据第2节的计算方法,计算出误差补偿后的偏振角 和偏振度d 。利用上述标定和误差补偿算法可以有效降低通道间信号增益差异与检偏器阵列的相对角度误差,对独立通道传感器测量精度的影响,大幅提高传感器航向角的测量精度。
4实验及讨论
对独立通道传感器进行实测实验,三个偏振光检测通道的设计偏振化方向分别为0°、60°和120°,将传感器置于高精度旋转平台上,旋转平台以转速60°/min匀速旋转,传感器采样速率120次/min。三个偏振光检测通道输出结果如图4(a)所示,根据第2节方法,得到未经过标定和误差补偿的偏振角 和偏振度d , 如图4(b)所示。各采样点偏振角 的误差分布如图5(a)所示,其中,偏振角 的最大绝对误差为0.365°,平均角度误差为0.172°,误差标准差为0.101。
利用3.2节的方法,对独立通道传感器进行标定,得到三个通道偏振化方向的实际值1、2和3分别为0°、59.74°和120.51°,通道间信号增益比值m21和m31分别为1.002 4和1.001 3。通过误差补偿算法对上述实验数据进行处理,各采样点偏振角 的误差分布如图5(b)所示,其中,偏振角 的最大绝对误差为0.042°,平均角度误差为0.011°,误差标准差为0.008。
在同等条件下,对文献[7]所述的POL-神经元模型传感器进行实验,四个通道的偏振化方向分别为0°、 60°、90°和150°,利用文献[13]的误差补偿方法处理之后,各采样点偏振角 的误差分布如图5(c)所示,其中,偏振角 的最大绝对误差为0.337°,平均角度误差为0.154°,误差标准差为0.092。
偏振角误差统计量对比结果如表1所示,独立通道传感器经过标定和误差补偿的测量精度明显提高, 多次重复实验表明该独立通道传感器经过标定和误差补偿之后最大绝对误差不超过0.05°。
比较图5(a)和5(b),可以发现通道间信号增益差异与检偏器阵列的相对角度误差,对偏振罗盘信息检测精度有较大的影响,独立通道偏振光导航传感器经过标定和误差补偿之后,可以有效减少其对检测精度的影响,从而大幅提高测量精度。
独立通道传感器与POL-神经元模型传感器相比,测量精度显著提高,如图5及表1所示。其主要原因在于独立通道传感器的偏振光检测通道相互独立,有效克服了通道间正交误差,通过对各通道信号增益和偏振化方向进行标定,根据标定参数进行误差补偿可有效减少通道间信号增益差异与检偏器阵列相对角度误差对检测精度的影响;而POL-神经元模型传感器的每个检测单元均是一对相互正交的检测通道组成,难以对各通道信号增益和偏振化方向进行有效标定。另外,独立通道传感器采用了分时复用技术,可以保证传感器信号处理电路的一致性,产生通道间信号增益差异的原因是滤光片、检偏器和光电二极管的性能差异,此差异不随传感器增益的变化而改变,因此,独立通道偏振光导航传感器的通道间信号增益比值为定值,可以保证其在不同光照环境下测量精度的稳定性。
5结论
多通道材料信息采集系统 篇6
在生产生活中, 常需要对多种材料的数量进行统计。例如, 超市需要对消费品的库存情况进行统计, 电子或机械维修部门需要对使用较多的元件进行统计, 以便确定哪些元件需要购买, 药店需要统计哪些药品卖得较快, 需要购进。对于超市可以通过查看采购记录和销售记录来获得库存信息, 但是像电子或机械维修部门或者小型药店, 特别是中药店, 对销售情况进行统计就会不那么容易。而对电子元器件、机械元件、药品等进行统计时, 人工统计费时费力且容易出错。本文提出的多通道材料信息采集系统就可以解决此问题。
多通道材料信息采集系统, 通过称重传感器获取各材料的重量信息, 通过单片机采集处理。一方面可以现场显示材料的数量, 方便工作人员获取各材料信息, 及时补缺;另一方面可将数据以通信方式传送至上位PC机, 进行记录、统计和分析, 以便对资源进行更合理配置。此系统可用于电子或机械维修部门、药店及超市等场所。
2 系统总体设计
2.1 设计思想
对材料数量的统计, 可以采用人数方法, 但对多种材料的数量进行统计是件很麻烦的事情, 特别是当被统计的材料个体较小时。如电子元器件、机械零部件等, 这些材料体积较小, 重量也比较小, 而个体质量差异却不是很大。所以采用称重传感器获取材料重量信息, 然后通过计算获得材料数目不失为一种有效方法。
例如在机械维修部门, 元件的种类相当多, 各种不同的元件会被分放在不同的盒子里, 以便使用时进行索取。但不同的元件消耗情况是不确定的, 所以在对元件进行采购时就有必要获得各元件库存信息。如果在放置元件的盒子底部预先安装称重传感器, 对信息采集后经过处理我们就能获得各元件的数量信息。许多时候我们并不需要知道材料剩余的准确数量信息, 只需知道剩余的材料大概有多少即可, 因此系统在显示部分采用8个发光二极管对一个数据进行示意显示。
2.2 系统组成
多通道材料信息采集系统由称重传感器、放大电路、模拟开关、A/D转换器、微控制器、显示器及键盘等组成, 同时留有通讯接口, 可与上位PC机通信, 系统组成如图1所示。
3 硬件电路设计
系统硬件电路设计本着简单、实用的原则, 并不要求很高的精确度。传感器选用使用广泛的应变电阻, 其输出的小信号需经过放大调理。多路模拟开关使用8片CD4501扩展64路模拟通道, 后经过8位8通道模数转换器ADC0809对信号进行模数转换, 送入单片机, 再由单片机控制将数据载入MAX7129对数据进行显示。每8个数据为一组, 对8组数据进行循环显示。单片机还可通过串口与计算机进行通信, 响应上位机命令, 向计算机传送采集数据, 作为企业物料管理的一部分, 实现对材料使用情况的记录及分配管理。
3.1 称重传感器
称重传感器是一种将质量信号转变成可测量的电信号进行输出的装置。称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等8类, 以电阻应变式使用最广。
电阻应变式传感器:利用电阻应变片变形时其电阻也随之改变的原理工作。主要由弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆4部分组成。此系统目的是实现对材料现存状况进行采集, 当材料处于一定范围内时, 就会考虑要购进新的材料。所以并不要求非常精确的数据, 因此不采用桥式电路, 而是直接使用电阻应变片来实现数据采集, 如图2所示。
3.2 多路模拟开关
多路模拟开关是一种重要的器件, 在多路被测信号共用一路A/D转换器的数据采集系统中, 通常用来将多路被测信号分别传送到A/D转换器进行转换, 以便控制器能对多路被测信号进行处理。CD4501是单8通道数字控制模拟电子开关, 有三个二进控制输入端A、B、C和INH输入, 具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。选用8片CD4501和一片ADC0809可扩展为单64通道数字控制模拟开关。控制信号Control1-Control6由单片机发出, 对采集信号通道进行选择导通。
3.3 A/D转换
A/D转换器采用ADC0809模数转换器。ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关, 它可以根据地址码锁存译码后的信号, 只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。ADC0809与单片机的连接图如图4所示。
IN0-IN7为8路模拟量输入端, D0-D7为8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC为3位地址输入线, 本系统中接高三位地址选择信号, 用来选择导通相应CD4051输出地信号。ALE为地址锁存允许信号。START为A/D转换启动脉冲输入端, 输入一个正脉冲使其启动。EOC为A/D转换结束信号, 当A/D转换结束时, 输出一个高电平。OE数据输出允许信号, 当转换结束时, 给此端输入一个高电平, 打开输出三态门, 输出数字量。
ADC0809的工作过程是:首先输入3位地址, 并使ALE=1, 将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位, 下降沿启动A/D转换, 之后EOC输出信号变低, 指示转换正在进行。直到A/D转换完成, EOC变为高电平, 指示A/D转换结束, 结果数据已存入锁存器, 这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时, 输出三态门打开, 转换结果的数字量输出到数据总线上。
3.4 单片机控制单元
控制器选用AT89S51。AT89S51是一个低功耗, 高性能的CMOS 8位单片机, 片内含4k Bytes的Flash只读程序存储器, 器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造, 兼容标准MCS-51。图5为单片机各控制信号的分布。
3.5 显示单元
传统的数码管显示驱动电路占用系统资源较多, 本系统采用MAX7912, 一种串行接口的8位数码管显示驱动器。它与通用微处理器只有3根串行线相连, 最多可驱动8个共阴数码管或64个发光二极管。内部有可存储显示信息的8×8静态RAM, 动态扫面电路, 以及段、位驱动器。本系统采用驱动64个发光二极管的模式, 显示材料剩余量信息。
图5中, 单片机P2.0口作为串行数据线, P2.1作为数据加载控制线, P2.2作为时钟线。单片机向MAX7219输送信息的工作流程描述如下: (1) 将P2.1, 即数据加载控制线置低电平有效; (2) 将P2.0置成与D7相同状态; (3) 将P2.2先置低, 再置高, 产生一个移位脉冲将D7移入MAX7219; (4) 重复 (2) 、 (3) 过程, 将D7-D0移入MAX7219。
对MAX7219各控制器和位寄存器赋值也可方便地由循环程序来完成。因为MAX7219有自动的动态刷新功能, 所以赋值完毕后, 单片机不必对它做其它的操作, 即可完成显示。
3.6 单片机与PC通信
使用MAX232芯片实现单片机与PC的串行通信, 实现与计算机通信后可通过计算机读取采集到的信息, 也可向单片机发送相应命令来实现某一数据采集通道的导通, 从而使显示器显示相应采集量。
4 系统程序流程图
系统软件流程如图6所示。单片机系统上电后, 先进行系统自检并初始化。然后通过对控制口赋值打开采集通道启动A/D转换, 转换结束则将采集到的数据保存至单片机内存中, 然后导通下一通道对下个数据进行采集。当对所有通道数据采集一遍后, 可关闭A/D转换, 将保存的数据送入MAX7219进行显示。MAX7219外接64个发光二极管, 分为8组, 每组对一个数据进行显示, 也就是将采集数据分为8个等级, 这样可以很直观地看到材料的剩余状况。同时为方便管理, 系统与PC机也进行了连接, 通过编写上位机软件, 可以随时启动系统进行信号采集, 并将数据传送至PC机中, 可作为企业物料管理的一部分。
5 结论
本系统设计了一个多通道材料信息采集系统, 使用应变电阻片构成称重传感器, 采集材料的重力信息, 保存至单片机内存, 可控制条形显示器对材料现存状况进行显示, 并可以通过串行端口将数据传送至上位机, 方便进行记录和管理。系统还可以增加报警提示电路, 当某材料缺少时, 可通过声、光等报警电路以及在上位机采集信息后对个别信息进行特殊显示来提醒工作人员及时补充。
摘要：本文设计了一种多通道材料信息采集系统, 将材料分类放置, 通过称重传感器将各材料的重量信息转换为电信号, 经过多路模拟开关及A/D转换, 将材料信息传给单片机并在现场实时显示, 方便工作人员及时对材料进行补充。同时单片机采集的数据可传送至上位机, 实现对材料的库存情况进行随时记录, 以方便对材料进行管理。
关键词：多通道,信息采集,称重传感器,单片机
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[5]李全利.单片机原理及接口技术[M].北京:高等教育出版社, 2012.
职校多寒士源于通道太窄 篇7
社会现实中大学生毕业即失业的“就业难”,与企业难招技术人才的“用工荒”形成的结构性矛盾,足以让职业院校拥有“被选择”的独特优势,但缘何职业教育仍旧难脱舅舅不疼姥姥不爱的尴尬困局,笔者认为,人们对职校的认知和相关制度的政策“矮化”,当属重要原因,比如重学历轻技能,公务员考录拒招职校生,等等。
其实,正如纪宝成所言,人们轻视职业院校的实质是“拥抱资本、疏远劳动、轻视劳动者”。诚然,与普通高等院校的“学历教育”不同,职业教育本身就属“技能培训”的教育性质,国家早已将其定位于“在完全中等教育的基础上培养出一批具有大学知识,而又有一定专业技术和技能的人才,其知识的讲授是以能用为度,实用为本”也就是说,职业院校的任务就是培养技术工人,即人们习惯所称的“蓝领”。在“乐意当白领,不做工农兵,即便进企业,也留管理层”的观念日益成为人们的普遍择业念的背景下,以制造“蓝领”为业的职业教育如何能成香饽饽?
不错,“领导带头”送子女就读职业院校的确有引领社会的示范作用,但以促进“就业”为主的制度性指挥棒的魔力应该更具效力。换句话说,只有打通职校生的向上渠道,职业教育才会具有吸引力。比如,拆除国家机关公务员考试、村官招考不准职业院校毕业生参加的制度门槛,让职校生同样具有进入公务员队伍的入围机遇;拆除职校毕业生在企业发展的“天花板”屏障,完善疏通其由工人序列向职称序列转变的制度设计,等等
多通道融合,让美术活动更具创意 篇8
一、丰富多样的游戏材料体现创意之美
丰富多样的生活材料、 自然材料不仅能激发幼儿的创作灵感和欲望, 提高对美术活动的兴趣, 发展幼儿动手能力与创造能力, 还能让幼儿学会观察生活, 发现生活中的美。
1.利用自然材料, 感受创意之美。
(1) 走进大自然, 选择自然材料。
我园有专门的种植园地, 这种自然区域里有取之不竭、用之不尽的天然材料。 于是, 我们经常带着孩子来到这里尽情嬉戏玩耍……孩子们穿梭于园地中玩捉迷藏的游戏, 采集果实, 收集树叶, 进行创意手工, 用收集来的玉米皮编成蒲墩, 再进行拼插, 用稻草、芦苇进行装饰, 这一切都是大自然赐给孩子们的礼物, 大大增强想象性、合作性与创造性。
(2) 利用“家长”资源, 挖掘自然材料。
活动中我们强调家园携手, 紧密配合, 充分发挥家长的教育资源作用。 于是家长们带孩子喝喜酒后会每桌收集螃蟹壳、甲鱼壳, 洗净让孩子带来, 吃到田螺、螺丝等也会带来, 还有各种果实等, 家长和孩子一起送来, “老师, 这个可以让孩子做些什么手工呢? 那个可以教孩子怎么玩? ”
2.利用现有材料, 发挥创意之美。
(1) 生活材料探索
我们在班级里设立“废旧材料回收站”, 让孩子们养成随时收集各种生活材料的习惯, 将食品的旧杂志、 包装盒及果壳、蛋壳、石块等这些随手可得的材料清洗干净后带来分门别类地投放到收集箱内, 以备创作之用。 开展美术活动时, 将包装水果的泡沫网, 用颜料拓印, 在拓印形状上进行添画;将放置鸡蛋的蛋托充分利用起来, 粘上彩色纸浆做成漂亮的蜡烛杯;在蛋糕胚子上粘上深浅间隔的色纸做成别致的烟斗。
(2) 游戏玩具探索
材料和工具在美术教育中是孩子们学习、 创造的中介与桥梁, 运用特殊的美术材料、工具会使幼儿产生更浓厚的创作兴趣。 如水枪画、针管画、水枪、滴管都是孩子玩水的玩具, 我们往水枪里灌进颜料, 让孩子喷射作画;用针管装颜料, 进行染色创作, 把玩具变为工具, 能帮助孩子很轻松地把他们心里对世界的感知、对美的感受充分有创意地表达出来。
二、随机多变的游戏内容尽现创意之源
《指南》指出:“幼儿活动内容的选择应以观察了解幼儿为基础, 要源于幼儿的现实生活, 既满足幼儿当前发展需要, 又有助于拓展幼儿的经验与视野, 为幼儿发展打下良好的基础。 ”我们充分遵循这一要求选择游戏内容。
1.根据相应季节选择游戏内容。
当农作物丰收时, 我们布置果实创意美工区, 并鼓励幼儿大胆想象、创作, 布置一座丰收屋, 用吹塑板刻出房子的形状, 再将各色贴纸贴在上面, 然后用核桃壳装饰成屋顶、黄豆粘成墙、南瓜装饰在门前, “农场一家”、“树根的故事”等, 一个个美术活动都被幼儿轻松愉快地“玩”了出来, 而且百玩不厌, 幼儿的创新意识随之大大增强。
2.根据幼儿兴趣选择游戏内容。
有一天, 我们在幼儿园散步的时候发现了一块大石头, 并把大石头带回了教室, 随机生成了“石头创意造型”的美术活动, 孩子们收集鹅卵石, 进行组合, 拼出了弯弯曲曲的石子路、房子、花朵、树等多种多样的图案, 又用橡皮泥给鹅卵石装饰上了五官和头发, 做成了憨态可掬的太阳娃娃, 把鹅卵石垒高做成了高高的楼房、宝塔等, 有的孩子拿起边上的颜料和笔画了起来。 不久, 这块石头就变得“五颜六色、色彩斑斓”了, 孩子们的创意真是无处不在。
3.根据主题活动选择游戏内容。
我们准备了一些蔬菜, 如青椒、莲藕、胡萝卜、笋等, 切合“丰收的季节”这一主题, 引导幼儿利用蔬菜的横切面进行蘸色印画, 当一块块蔬菜的切面在画纸上呈现的时候, 孩子们感到惊奇和兴奋, 他们运用吃剩的玉米滚出了彩虹的印记, 有的孩子制作了苦瓜鳄鱼, 用水果和蔬菜做出了很多好看的服饰, 添画几笔就是一个个漂亮的娃娃, 看, 身穿香蕉连体裤的姑娘, 穿着包心菜裙的姑娘, 穿着豆角比基尼的姑娘, 真是处处充满惊喜。
三、多元互动的组织形式体验创意之乐
多元互动指各种教育元素的互动, 多元互动策略指导下的活动, 教师、幼儿、家长形成交流、合作的关系, 使幼儿真正喜欢并乐意参加美术活动, 激发幼儿创意。
1.集体交流, 丰富创作经验。
有意识组织孩子进行集体交流, 让他们在交流过程中获得更多有创新的“闪光点”。
利用废旧牙膏盒制作楼房并添画完成作品《翠竹一条街》时, 先组织幼儿集体讨论:“翠竹一条街两边有什么建筑? ”鼓励幼儿把自己知识和经验分享给同伴。 “有好多小吃店、服装店。 ”“有漂亮的小公园, 有宽宽的水泥路, 旁边还有让人们休息的椅子。 ”“还有跷跷板、荡秋千、有吊环……”小朋友们高兴极了, 凭着自己的生活经验积极地谈论着, 最后呈现的作品内容丰富、布局合理。
2.小组合作, 发挥组员创意。
进行小组合作创作, 让幼儿在交流合作过程中充分发挥集体创意。
为了让幼儿了解三原色的变化原理, 我们巧妙结合故事 《环游世界 》, 创设小黄人去旅行的情境, 引导幼儿运用牙刷、喷壶等清洁工具将喷水、挤色、刷色贯穿起来, 在刷色过程中自然呈现第三种颜色, 抛出 “他们会去什么地方旅行” 这样的问题, 唤起幼儿已有生活经验, 发挥幼儿想象, 拓展他们的思维, 有趣的故事情景中到处闪现创意的火花。
3.区域游戏, 提高自主创新能力。
区域活动是幼儿最喜欢的游戏, 我们在区域中鼓励他们根据自己的需求选择材料, 充分自我表现, 增强自主创新意识。 如“线条会跳舞”, 提供一条细软的直铁线, 让他们尝试将直线变成曲线, 孩子们在游戏中想象和创造出了各种曲线———电话线、山形线、鱼鳞线、波浪线, 最后玩构图游戏时, 幼儿就能创造性地运用这些曲线创作了, 他们大胆联想和再现生活经验, 使枯燥的线条变化活动变得趣味盎然。
4.亲子创作, 集合创意无限。
除了孩子, 家长也是艺术环境的参与者, 开展“亲子环保时装秀”活动, 鼓励家长们尽情发挥自己的想象, 亲子合作、设计别具一格的环保时装……他们利用日常生活中的废弃物品, 如废旧纸盒、大大小小的塑料袋、旧桌布、蚊帐等, 经过精心设计和制作后, 漂亮别致的婚纱、蓝精灵、孙悟空、超人、蝙蝠侠等一一诞生。