一種高精度低成本的電子測量系統的製作方法

2023-05-25 20:42:46 5

本發明涉及一種通過將儘可能多的測量信號調理工作從硬體電路轉移到智能行動裝置上的軟體計算來提高精度降低成本的電子測量系統。

背景技術：

眾所周知，傳感器的輸出值與輸入值的比值並非直線。所以往往需要用實際輸出值與擬合直線的對比來確定傳感器的靜態線性度。此外，傳感器還需要通過校準數據來保證精度。然而因為成本和生產效率限制，傳感器在生產過程中難以精確測定其本身的特性曲線，只能在保證同批次傳感器的精度在所需範圍內的前提下，以所有產品的通用數據加以校準。單個傳感器的精度因此受群體平均校準數值的限制。

此外，由於傳感器輸出值和測量值的比值並非直線，傳感器在滿量程範圍內各點的解析度並不相同，因此常用滿量程中能使輸出量產生階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量解析度的指標。這也是當前傳感器生產中因成本和生產率限制，而使得每個傳感器的解析度受到群體平均數值限制的原因。同理，批量生產的傳感器，其標稱的線性度、靈敏度、遲滯、零點漂移、靈敏度溫度漂移等參數的提高也因此受限。

因此，為了提高傳感器的測量精度，產生了差動技術、零示法微差法和閉環技術、平均技術、分段與細分技術、解耦技術、補償與校正技術等等一系列技術解決方案。上述用於提高精度的技術中，大部分技術只能用於特定領域或特定的傳感器種類，補償與校正技術通用性雖然較強，然而補償和校正電路設計複雜，成本較高，而軟體補償校正需要高性能單片機或計算機的運算能力支持。

就算能解決傳感器本身的精度問題，信號調理電路帶來的誤差也是不可忽視的。比如信號放大器的設計通常需要給定：1輸入信號、2輸出信號幅值、3總增益、4工作頻帶、5非線性失真、6環境溫度、7輸入阻抗、8輸入噪聲、9電源電壓等等條件參數。然而在實際設計中，很難兼顧或者測量得到全部所需數據。這就從源頭上限制了放大電路的精度，即便採用高性能的集成運算放大器也無法解決上面的問題。同樣道理，濾波電路和集成有源濾波器雖然能濾除噪聲信號，但對於所需信號也會帶來測量系統測量精度下降。採樣保持電路、模擬開關、A/D轉換、V/F轉換電路之類亦同。與此同時，對於測量儀器設備來說，因為各個部件和功能模塊各自的誤差會和各種其他的隨機誤差一起積累成為系統誤差，而且測量系統中必然會存在未定系統誤差和隨機誤差，從而累積成一個較大的系統誤差。因此，花費較大成本提高傳感器本身的精度，或者某個功能電路模塊的精度，對提高系統精度來說效果並不明顯，更不經濟。

為部分解決上述問題，美國宇航局1978年開發出智能傳感器(Intelligent Sensor)，是將傳感器和計算機一體化的多功能靈巧型傳感器系統。當前的智能化傳感器已經實現了微型化、 結構一體化、陣列式和數字式等目標，具有自診斷功能、記憶與信息處理功能、數據存儲功能、多參量測量功能、聯網通行功能、邏輯思維以及判斷功能。在此基礎上又發展出了功能更強和更全面的虛擬儀器技術。現有大部分智能傳感器與虛擬儀器一樣依賴外接的計算機或專用單片機進行數據處理，少數集成智能傳感器主要集中於圖像傳感器。典型的智能儀器遵循IEE1451標準進行開發，一般需要兩塊高性能MCU和若干塊MCP2510、PCA82C250T等輔助晶片分別組成「智能變送器模塊」(STIM)和「網絡適配器模塊」(NCAP)對傳感器獲得的信號進行基本的調理和傳輸。智能傳感器和虛擬儀器一樣，雖然精度較高，但使用成本和技術門檻過高，電路開發難度較大，且需要行業專家進行編程操作，所以主要用於實驗室，醫療和科研領域，難以在日常設備中普及。

因此，在實際生產中，許多對精度有嚴格要求的測量產品或設備，一旦成本和體積等條件受限，就難以保證較高的測量精度。典型的例子是國產血糖儀的國標GB/T 19634-2005，其合格產品的要求只是要求95％的測試數據結果落在偏差±20％以內。對於血糖數值來說，±20％誤差區間，意味著兩次獨立檢測如果稍稍接近上下極限偏差，則檢測結果足以跨越無糖尿病、輕度糖尿病(空腹血糖7.0～8.4mmoi/L)到中度糖尿病(空腹血糖8.4～11.1mmoi/L)之間的數值區間。還有5％的檢測結果可以成為毫無參考價值但很可能對用戶引起誤導的粗大誤差——因為沒有專業知識，普通用戶在單次測量中根本無法用經驗和專業知識排除5％的錯誤測量值的影響。這導致了大部分國產血糖儀只能用於某個固定糖尿病患者日常血糖波動量(如一段時期內血糖有無快速上升)的定性檢測，完全無法替代醫院的血糖生化檢測，極大限制了國產家用型血糖儀的醫療診斷價值和市場前景。同樣情況也發生在家用電子血壓計、採用生物電阻抗法的體脂測量儀、家用心率儀等大量電子檢測產品上。

值得一提的是，當前已有的傳統虛擬儀器是一種利用計算機強大的計算能力和豐富的軟硬體資源組織而成的儀器系統。更詳細地說，現有的虛擬儀器能夠通過一臺計算機上配備專門的應用軟體和專用硬體(如插入式板卡等)，來完成傳統儀器的功能。現有的虛擬儀器由I/O接口設備進行信號的採集、測量和調理，利用計算機顯示器模擬傳統儀器的控制面板，由用戶設計虛擬面板，以多種形式表達輸出檢測結果，並利用計算機強大的軟體功能實現信號的分析、運算和處理——這部分功能傳統電子儀器往往用模擬放大、濾波電路和單片機來實現，從而使計算機具有各種測試功能。此類虛擬儀器的功能極為強大，配合National Instrument公司的LabVIEW軟體和數據採集設備可以替代絕大部分傳統電子儀器。但傳統虛擬儀器因為需要兼容如RS485等大量專業儀表通訊標準，只能通過包含大量不同接口的插入式板卡與計算機進行通訊，所以其體積較大，非常不便於攜帶和移動測量所用。且傳統虛擬儀器系統為滿足幾乎萬能的通用性和科研測量級別的精度要求，成本十分昂貴，並為提高虛擬系統的測量和功能範圍有需要用戶對虛擬面板和用戶界面進行二次開發的問題，對用戶需要有極高的專業知識要求，從而阻礙了虛擬儀器在非專業領域的應用。

當前智慧型手機等智能行動裝置處理器的性能和功能正在快速提高，智能行動裝置的作業系統和編程環境日趨完善，所以智能行動裝置的性能和軟體環境已經可以滿足絕大部分虛擬 儀器所需，且有便於攜帶、成本較低等優勢。如能實現通過由智能行動裝置的計算能力替代相對更加龐大和昂貴的個人電腦和工作站的效果，並簡化通訊和數據傳輸系統，可有效降低使用成本，簡化操作以便於滿足中低端市場領域中各種高精度低成本測量所需。當前有很多利用智能行動裝置作為測量系統I/O部分的專利，如專利CN201510301587.4、專利CN20152369193.8和專利CN201510276162.2等，均保留有完整的測量和計算電路，僅將智能行動裝置作為附加的「易用型輸入-輸出界面」、更大容量的移動數據儲存設備和連接網際網路的擴展功能模塊。然而此時，智能行動裝置只起到功能擴展效果，測量設備本身依然需要依賴單片機或工控電腦(依測量種類和難度不同進行選擇)處理核心測量數據，並沒有革命性的變化。這是因為，希望直接以智能行動裝置替代現有虛擬儀器的功能並實現數據實時處理和輸出，當前智能行動裝置的計算能力仍然不足。或者僅能對一些特殊信號做簡單的附加處理，卻反而增加測量儀器的成本和複雜性——如專利CN201510233390.1披露了一種胎心儀，可將的胎心信號通過音頻接口輸入到智能行動裝置中，智能行動裝置僅用於對單位時間內的胎心音頻數量進行簡單濾波後計數，然而胎心儀仍需要具備提供獨立工作的全部硬體電路，還需額外增加音頻輸出口，此時智能行動裝置實質上是作為免去用戶掐秒表操作和防止誤聽數錯的自動計數器之用，作為額外的附加功能模塊反而增加了胎心儀進行音頻轉換和輸出的成本和複雜性，而且用音頻接口將數據傳遞給智能行動裝置的方案並沒有通用性。所以有必要研究如何在傳統的測量儀器中充分利用智能行動裝置設備的計算能力以降低系統成本的方案，並降低該方案對智能行動裝置的性能要求並提高該方案對於不同測量儀器設備的適用性。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種高精度低成本的電子測量系統，以解決傳統電子精密測量設備存在的測量精度、成本、體積等參數相互限制，使高精度電子測量系統難以普及推廣的問題。

為實現上述目的，本發明的技術方案為：一種高精度的低成本電子測量系統，包含傳感器模塊、基本信號調理電路、基本數據處理和通訊模塊、特徵碼存儲器等功能模塊，通過將非必須和較複雜的信號調理工作轉移給性能強大的智能行動裝置處理器進行處理，以簡化信號調理的硬體電路，並保障和提高最終的測量精度。

所述的傳感器模塊包含一個或者多個同類或不同傳感器，將所需檢測的參數轉化為電信號，再傳輸給基本信號調理電路中所對應的處理電路對信號進行基本的放大、濾波、A/D轉換、I/F轉換、V/F轉換等調理操作。並將調理後的信號傳遞給基本數據處理和通訊電路。

所述的基本數據處理和通訊模塊包含基於單片機或PLC等為核心的，具有簡單數據處理功能的計算模塊，並可讀取特徵碼存儲器中所存儲的數據，同時還具備通訊模塊，可根據實際需要和成本控制，選用通過標準的USB協議、WIFI協議、Zigbee協議或藍牙協議將計算後的數據與智能行動裝置進行通訊。

此時，通過智能行動裝置強大的計算和存儲能力，基本調理電路所無法消除的信號誤差、噪音和幹擾數據可以通過專門的軟體進行消除。此外，傳感器和基本信號調理電路固有的「測 量值與信號值之間的非線性度」和其他誤差可由儲存在特徵碼存儲器中的，由廠家出廠前和使用中經過精確校正的特徵碼校正表或校正函數予以消除。從而得到了不依賴傳感器及調理電路硬體精度及元件一致性，並能在低成本下實現高精度的測量功能。尤其值得一提的是，智能行動裝置平臺的編程相對於傳統單片機的低級語言——如彙編語言和C語言，和極為專業的虛擬儀器程式語言Labview、LabWindows等必須要由行業專家進行編程和優化的情況來說，基於安卓、IOS或WP等智能移動平臺的編程軟體和編程平臺通用性更強，學習人數更多，這就大幅度降低了針對於低成本產品的專用程序開發的難度和成本，並可通過大量普通程式設計師甚至業餘程式設計師的協作將產品開發速度提高數倍甚至數十倍。

此外，本發明將傳感器的數據處理轉移到智能行動裝置的處理器上，不但降低了單個高精度測量系統的成本，而且由於在絕大部分應用(如空氣淨化器所需的室內PM2.5數值、用戶的血糖檢測數值、血壓數值、廚房烹飪時的油煙和燃氣等還原性氣體濃度、生產線某工上位單個零件的特定尺寸測量數據等等)中用戶不需要以極高的採樣頻率連續不間斷測量某些數據，所以多個基於本發明的同類或者不同的測量設備或測量系統只要採用了相同的數據傳輸協議，輔以具備分時處理功能的通用處理程序，可實現由單個智能行動裝置接受、處理和轉發大量不同設備測得的數據的效果，從而極大降低整個智能家居、單個實驗室或一部分生產線上高精度測量系統的構建成本。這是因為智慧型手機和平板電腦等智能行動裝置幾乎成了家庭標配，而且其計算能力足以通過分時計算承擔多個測量系統的管理工作。

本發明的有益效果：通過用軟體替代大部分信號調理電路的工作，在保證和提高測量精度的前提下顯著降低了電子測量系統的成本，並利用通用的智能行動裝置開發平臺，大幅度簡化了專用軟體的開發難度，並可實現由單一智能行動裝置對大量互不相干的不同類型測量系統進行統一監控和數據採集的目的，以適應智能家居互聯化轉型或基於工業網際網路的智能化生產等領域所需。

附圖說明

圖1是本發明專利的系統構成示框圖。

圖中，1傳感器模塊，2基本信號調理電路，3基本數據處理和通訊模塊，4特徵碼儲存器，5智能移動處理器模塊。

具體實施方式

如圖1所示，傳感器模塊1在測量中，將一個或多個傳感器測得的電信號傳遞到基本信號調理電路2中。基本信號調理電路2在對傳感器模塊1的信號做最基本的放大和轉換後即將信號送到基本數據處理和通訊模塊3進行進一步的採樣和準備傳輸。此時，儘可能簡化和減少基本信號調理電路2對信號進行調理工作的原因是因為，任何傳感器信號調理電路在對信號完成放大、整形或轉換，或者濾除特定噪音的主要目標時自身必然帶來新的誤差，這實質上是在增加後續軟體運算中，系統誤差中的變量數量。除了增加硬體成本外，對於後續的信號軟體計算處理來說也是不利的。

經過放大等基本調理工作後的信號，可通過基於單片機或PLC等為核心的基本數據處理 和通訊模塊3將其轉化為數位訊號，通過標準的USB協議、WIFI協議、Zigbee協議或藍牙協議將計算後的數據與智能行動裝置進行通訊。在傳播測量數值信號的同時，基本數據處理和通訊模塊3還能從特徵碼儲存器4讀取1傳感器模塊1和基本信號調理電路2組成的電路系統整體特徵碼錶或簡單的校正函數同時傳輸給智能移動處理器模塊5，以供智能移動處理器模塊5通過軟體校正測量數據和得出準確數據的計算所需。所述智能移動處理器模塊5可以是基於移動智能處理器晶片組建的：獨立的智慧型手機、智能平板電腦或便攜型專用控制系統；也可以是集成於本測量儀器內的上位機控制系統；也可以是安裝在本設備外的，用於控制多個採用類似數據傳輸協議的同類或不同類測量設備的數據處理中心等。因此，本發明即可用於獨立的測量儀器設備，也可用作為整體智能家居或工業網際網路生產控制系統中的一個組成部分。

需指出，增設獨立的特徵碼儲存器4後，本系統保證測量精度的方法從生產上就與傳統電子測量儀器發生了變化。傳統電子測量系統，需要從每一個電路每一個環節保障測量和數據處理的精度，對設備內每一個電子元件的精度都有很高的要求，此時設計往往只能偏向精度，或者偏向成本、體積和便攜性等對立性能參數。對於本發明的系統來說，廠家可以將傳感器模塊1，基本信號調理電路2和基本數據處理和通訊模塊3整體對測量信號的影響從整體上視為一個獨立的黑箱，實際被測數值與黑箱給出的數據之間的差異，則可以在廠家出廠前，通過更高精度的標準測量儀器(一般要求為校準和標定用設備的基本誤差δ小於產品誤差的1/5到1/10)測量若干個測量區間中的標準校核點(取樣點得數量取決於產品精度要求)，對黑箱系統測量後的輸出數據進行對比，即可得到黑箱系統的輸出值與真值之間的較高分段密度的插值數據表或簡單的修正函數，並寫入特徵碼儲存器4。實際使用中智能移動處理器模塊5通過對應的軟體，獲得特徵碼儲存器4中儲存的特徵碼錶或修正函數後，很容易通過插值、最大似然估計法或最小二乘法等數值處理方法，得出黑箱系統當前的輸出值對應的準確測量值，這對於非等精度的測量系統特別有價值。利用智能移動處理器模塊5具備相對於單片機系統而言處理速度快得多，及海量內存中可暫存大量數據的優點，本發明還可以通過大規模的反覆採樣消除隨機性系統誤差。同時，特徵碼還可以向正在智能移動處理器模塊5上運行的軟體傳輸本設備的識別編碼、精度等級、調用軟體中何種資料庫、採用何種計算公式(如常用的最小二乘數據擬合法，或分段多項式插值法等)和運算模塊，使得單個程序可以用於控制，讀取和算出不同類型的電子測量產品的測量值，也可以讓軟體輕易排除偏離真值範圍較大的粗大誤差。這就實現了廠家對電子測量產品的出廠精確校準和標定。因本發明的測量產品將全部誤差統一在一個黑箱中，消除了系統累積誤差，所以此標定精度基本上不受傳感器和其他電路中電子元件本身的精度和批次誤差的幹擾，從而在降低元器件成本和提高產品合格率的同時，保證了產品相對常規測量儀器具備更高的測量精度。當然，廠家也可因精度和成本要求變化，沿用採用嚴格篩選各傳感器和電子元件性能參數穩定性的方法來減少出廠標定的工作量。相對於完全依賴軟體處理的虛擬儀器而言，在測量系統中引入特徵碼儲存器4，利用測量儀器設備出廠前標定時將真值與測量系統的輸出值之間的插值數據等寫 入特徵碼儲存器4，可以極大簡化軟體處理工作。這使得本發明的系統相對虛擬儀器的模式，更適合與處理器性能比個人電腦低幾個數量級的移動處理器進行對接。

此外，相對於依賴硬體電路保障測量精度的測量系統來說，本發明的測量系統具備可以在使用中方便隨時校正的優點。舉例來說，採用本發明原理製造的血糖儀，當用戶認為或懷疑長期使用後儀器因為電子元件老化等原因造成準確度降低時，可向生產廠家或銷售商申請或購買若干標定有標準血糖數值的校正試紙，對血糖儀進行工人校正和重新標定，將若干校正點的校準數據輸入APP，再由智能移動處理器模塊5寫入特徵碼儲存器4，從而恢復，甚至得到比出廠時更高的測量精度——此時提高測量精度就可作為廠家的增值服務。體脂測量儀的校準方法類似，用若干標準阻抗模塊校準即可。此時，在APP上進行校準操作，比起智能傳感器或者專業測量儀器需要專用的編程器和輸入寫入終端來說方便得多，也不需要行業專家進行編程操作。

作為優選，本發明的產品可在基本信號調理電路2中可與一個或者若干個簡單的，具備完全的信號調理功能的調理電路進行平行捆綁，以便於產品在脫離智能移動處理器模塊5參與信號處理的情況下，實現較低精度的基本測量功能，或者完成溫度測試以實現溫度漂移校正等功能。這可以使產品實現擁有快速測量和高精度測量兩方面的功能。舉例說，設計一個可用於測量體重，和利用生物電阻抗法測量體脂率的多功能電子稱，因為體重測試電路和電子元件技術成熟，成本較低，則可完整構建對應體重測試所需的基本信號調理電路2中相應電路，而精確測量體脂率測試所需的信號調理和校正電路過於複雜，則可簡化其對應的基本信號調理電路2中相應電路，將儘可能多的信號調理和校正工作轉移到智能移動處理器模塊5。

作為優選，對於某些測量精度受溫度影響較大的測量設備，可在傳感器模塊1中增設溫度傳感器，並將傳感器模塊1，基本信號調理電路2和基本數據處理和通訊模塊3這三者所構成的黑箱系統的溫度漂移修正值或溫度漂移函數寫入特徵碼儲存器4，以排除溫度變化對測量精度的影響。

需指出，本發明中，說明書和說明書附圖中所列舉的實施例僅用於形象說明和披露技術方案。對於說明書中的一種可行技術方案的實施例，同行業技術人員很容易通過無創造性的局部改變對實施例進行等同替代。因此本發明的保護範圍不限於說明書中的描述，而應以權利要求書為準。