通用型測量儀表數據校正卡的製作方法

2023-11-10 09:38:17

通用型測量儀表數據校正卡的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種通用型測量儀表數據校正卡，屬於儀表與測量【技術領域】。該裝置包括三部分：對外界環境進行探測的環境傳感器與相關採集系統模塊、儀表數據智能識別讀入系統模塊和數據修正系統模塊。每一系統模塊除部分功能與中央運算設備相同外擁有獨立的硬體與程序算法。儀表數據智能識別讀入系統通過上下位機硬體接口協議完成通信方式的識別，再通過軟體協議識別數據類型。本發明通過從儀表中剝離出數據校正設備，使儀表類設備研發過程中不必考慮數據修正與環境補償等考慮，降低了研發難度。使用簡單，普適性好，能夠幫助技術水平有限的設計單位或個人在儘可能簡單的情況下設計出性能更好、使用環境參量範圍更廣的設備。
【專利說明】通用型測量儀表數據校正卡
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種通用型測量儀表數據校正卡，屬於儀表與測量【技術領域】。
【背景技術】
[0002]目前，針對測量數據的校正一般有以下兩種方法:⑴硬體補償方法:本方法在硬體設計中加入削弱環境幹擾的設計，例如在電路中加入受環境因素影響與主要測量元器件相反的補償元件、影響測量結果的元器件選擇受環境影響小的型號、使用運算補償電路等。
[2]軟體修正方法:本方法通過軟體計算修正採集得到的數據，即在主控晶片程序中加入修正程序，修正程序通過環境測量傳感器採集外界環境數據，利用這些數據以及數據修正算法來校正測量數據。
[0003]上述兩種方法，存在一定優缺點:(I)硬體補償方法，通過硬體補償可以提高測量精度的方法同時不需要修改數據採集系統程序，不佔用系統時間，一般在設計的使用範圍內效果較理想。但是這一方法需要針對每一新設備特殊設計，設計較困難，會引入附加的硬體功耗，有時會較大。另外有些情況下可能找不到合適的補償方法。(2)軟體修正方法:軟體修正的方法適用面較廣，但需要為設備添置環境參量的輔助設備，修正程序會消耗處理器時間，對系統處理速度有不利影響。在程序中添加軟體修正模塊和在硬體電路中加入輔助環境測量硬體都會帶來系統設計上的不便，有時甚至需要修改整體設計方案來實現軟體修正。
[0004]當前社會上科研、生產、國防等領域都需求更精確、環境適應更好的儀表設備，但大範圍的環境情況波動無疑會降低設備精度，使用傳統方法工作的校正設備(技術)適用面小，研發的時間成本與物質成本都很高。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在於針對以上技術缺點，提出一種通用型測量儀表數據校正卡，以便能夠提高設備的測量精度，擴展設備的應用範圍，同時有利於降低相關領域的設備成本。
[0006]為了實現上述目的，本發明的技術方案如下。
[0007]—種通用型測量儀表數據校正卡，包括三部分:對外界環境進行探測的環境傳感器與相關採集系統模塊、儀表數據智能識別讀入系統模塊和數據修正系統模塊。每一系統模塊除部分功能與中央運算設備相同外擁有自己獨立的硬體與程序算法。各部分連接關係為:環境傳感器與相關採集系統模塊輸入端與環境傳感器與數據採集器相連接，輸出端連接在數據修正系統模塊上；儀表數據智能識別讀入系統模塊輸入端與儀表數據輸出端相連接，儀表數據智能識別讀入系統模塊輸出端與數據修正系統模塊相連接，數據修正系統模塊上設置有輸出端用以輸出處理後的數據。
[0008]其中，儀表數據智能識別讀入系統通過上下位機硬體接口協議完成通信方式的識另IJ，再通過軟體協議識別數據類型。硬體協議定義了總線識別系統的信號接入接口:信號接入口包括串並方式聲明位(Ibit)、串行總線數據交換位(Sbit)、並行數據(並行方式)或串行總線類型聲明位(串行方式)(9bit)、系統VCC與GND位(2bit)。
[0009]系統工作中先利用VCC位判斷設備是否連接，然後通過串並方式聲明位判斷系統工作方式:若為並行模式，系統通過並行數據位讀入數據交給軟體協議；若為串行方式，系統先根據串行總線類型聲明位確定總線類型，再驅動相應數據總線讀入數據。軟體協議規定了數據的長度、對齊方式、數據識別號等信息，由數據採集儀表與校正卡共同遵守。
[0010]數據修正系統工作需要先對原儀表進行多組校正測量，每組測量的內容包括儀表測量結果、環境參量與作為參考數據的精密儀表的測量結果(被認為是真實值)。上述測量結果存儲在系統的存儲設備中。系統不斷測量環境參數，在系統數據輸入系統接收到儀表輸送來的數據後，系統在存儲的數據中選擇儀表測量結果與環境測量結果最接近的四組數據(需要讓測量的環境數據與儀表輸送來的數據組成的數據向量落在以上四組之間)。設備利用多維空間曲面微元法求解真實值的近似解。最終將求解結果輸出給輸出總線接口或發送到輸出設備。
[0011 ] 上述設備基於下列理論模型: [0012]在使用的各種測量設備都或多或少的受環境因素的影響，儀表使用環境的溫度、溼度、光強、大氣壓力等情況的不同都會使測量結果與原設計環境(比如室溫)下的測量結果不相符合。在儀表設計過程中一般會加入減小環境影響的設計，或者規定可以接受的環境參數範圍。不同的儀表設備使用不同的工作元件與計算方法，但是可以看到環境影響造成的數據偏差與環境變化情況存在以下特點:儀表實際測量結果與理想環境下的測量結果的偏差受環境參數影響是一種連續的、全定義域(或其中的各部分)單調的映射關係。這樣的映射關係是平穩的(有一個或多個平穩的映射曲線)。環境變量的值、不理想測量值到理想測量值之間可以建立一個具有以上關係的映射。基於此點，建立環境變量、儀表測量值與最精確的測量值的數學模型，具體如下:
[0013]首先約定在後文中使用以下的符號:環境變量使用A1, A2, A3...來表示，理想的測量結果，即在儀表理想使用環境下測出的結果(這是儀表能達到的最高精確水平)使用Z表示，儀表在不理想環境下使用實際得到的測量結果使用X來表示。
[0014]令環境變量A1,A2,A3...等組成向量^(4,為,為…)，則按照上文中分析可以得到映射:
[0015]/{α,Χ^-^.Ζ
[0016]在這裡，利用多維向量元素來簡化這種關係的表達，這樣多個環境變量變成了一個多維向量，在下面的內容中將以此達標環境變量。
[0017]由於把上面的關係看成了二元變量向單值的映射，可以利用空間中的曲面來表達這一關係。容易理解的，這一空間曲面繼承了其原型數學關係的性質:連續的、有方向傾斜的、(除個別特殊位置)可微的曲面。藉助微分的思想將曲面近似為微小平面組成的特殊曲面。在允許的條件下，通過這樣的近似可以使用簡單的運算進行求解，此處使用統計擬合的方法。
[0018]統計要求在被估計(也就是被修正)的點的定義域附近有充分多的數據，這些數據使得有把握的對一個(也可能十幾個)微元平面內的點進行估計。這樣的估計類似於統計預測中使用的函數擬合方法，選用微元尺度，這樣可以利用相對少很多的點簡單的使用空間平面的方法進行處理。
[0019]需要求解的模型應該是這樣的狀態:設存在需要修正的點(?，尤)，並且在其附近
已知有可靠的點(~不)、^ (?3，Ι3)，這些點對應的理想測量值分別是Z1' Z2, Ζ3。
[0020]展開所使用的環境變量向量,在η+1維空間(包含X變量)中對以上三點所形成的平面進行計算。這裡所使用的方法如同一般的向量與向量平面中的運算那樣，依靠向量
垂直與向量-平面垂直關係即可求出結果。最終將(?，毛)帶入平面即可求出修正後的結
果O
[0021]系統使用高穩定的環境探測傳感器獲得環境向量數據，通過串行總線得到被修正儀表的測量數據，這樣的話就得到了被修正的點的位置。作為已知參量的參考點數據來自實驗室標準校正環境下的測量結果。參考點數量可以根據曲面的起伏程度與對修正精度的要求進行選擇。參考點的數據存儲在系統的片內或片外EEPROM中。
[0022]系統控制器程序主要是實現上述模型的算法，包括點選擇求解器與模型求解器。點選擇求解器根據待修正數據點所在位置選擇合適的平面參考點。選擇的一般原則是:參考點圍城平面包含或儘可能接近待修正點，這樣能接近最設想的微元平面近似。模型求解器需要能利用選擇好的數據進行修正求解。最終結果由控制器通過串行總線輸出。
[0023]另外系統所必備的輔助系統是進行參考點數據錄入的裝置，一般通過陣列鍵盤、PS2鍵盤、液晶顯示屏、LED顯示器等一般數據輸入輸出設備即可實現這一功能。
[0024]該發明的有益效果在於:本發明通過從儀表中剝離出數據校正設備，使儀表類設備研發過程中不必考慮數據修正與環境補償等考慮，降低了研發難度，可使研發速度得到提高。可以應用在沒有高級數據校正的儀表上，以提高設備的測量精度，擴展設備的應用範圍，同時有利於降低相關領域的設備成本。本發明裝置使用簡單，普適性好，能夠幫助技術水平有限的設計單位或個人在儘可能簡單的情況下設計出性能更好、使用環境參量範圍更廣的設備。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是本發明實施例中各模塊連接框圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖和實施例對本發明的【具體實施方式】進行描述，以便更好的理解本發明。
[0027]實施例
[0028]如圖1所示的通用型測量儀表數據校正卡，包括三部分:對外界環境進行探測的環境傳感器與相關採集系統模塊、儀表數據智能識別讀入系統模塊和數據修正系統模塊。每一系統模塊除部分功能與中央運算設備相同外擁有自己獨立的硬體與程序算法。各部分連接關係為:環境傳感器與相關採集系統模塊輸入端與環境傳感器與數據採集器相連接，輸出端連接在數據修正系統模塊上；儀表數據智能識別讀入系統模塊輸入端與儀表數據輸出端相連接，儀表數據智能識別讀入系統模塊輸出端與數據修正系統模塊相連接，數據修正系統模塊上設置有輸出端用以輸出處理後的數據。
[0029]其中，儀表數據智能識別讀入系統通過上下位機硬體接口協議完成通信方式的識另IJ，再通過軟體協議識別數據類型。硬體協議定義了總線識別系統的信號接入接口:信號接入口包括串並方式聲明位(Ibit)、串行總線數據交換位(Sbit)、並行數據(並行方式)或串行總線類型聲明位(串行方式)(9bit)、系統VCC與GND位(2bit)。
[0030]該發明在工作中先利用儀表數據智能識別讀入系統模塊上的VCC位判斷設備是否連接，然後通過串並方式聲明位判斷系統工作方式:若為並行模式，系統通過並行數據位讀入數據交給軟體協議；若為串行方式，系統先根據串行總線類型聲明位確定總線類型，再驅動相應數據總線讀入數據。軟體協議規定了數據的長度、對齊方式、數據識別號等信息，由數據採集儀表與校正卡共同遵守。
[0031]數據修正系統工作需要先對原儀表進行多組校正測量，每組測量的內容包括儀表測量結果、環境參量與作為參考數據的精密儀表的測量結果(被認為是真實值)。上述測量結果存儲在系統的存儲設備中。系統不斷測量環境參數，在系統數據輸入系統接收到儀表輸送來的數據後，系統在存儲的數據中選擇儀表測量結果與環境測量結果最接近的四組數據(需要讓測量的環境數據與儀表輸送來的數據組成的數據向量落在以上四組之間)。設備利用多維空間曲面微元法求解真實值的近似解。最終將求解結果輸出給輸出總線接口或發送到輸出設備。
[0032]以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種通用型測量儀表數據校正卡，其特徵在於:包括三部分:對外界環境進行探測的環境傳感器與相關採集系統模塊、儀表數據智能識別讀入系統模塊和數據修正系統模塊，各部分連接關係為:環境傳感器與相關採集系統模塊輸入端與環境傳感器與數據採集器相連接，輸出端連接在數據修正系統模塊上；儀表數據智能識別讀入系統模塊輸入端與儀表數據輸出端相連接，儀表數據智能識別讀入系統模塊輸出端與數據修正系統模塊相連接，數據修正系統模塊上設置有輸出端用以輸出處理後的數據。
2.根據權利要求1所述的通用型測量儀表數據校正卡，其特徵在於:所述每一系統模塊除部分功能與系統中的中央運算設備相同外擁有獨立的硬體與程序算法。
3.根據權利要求1所述的通用型測量儀表數據校正卡，其特徵在於:所述儀表數據智能識別讀入系統模塊採用上下位機硬體接口協議完成通信方式的識別，再通過軟體協議識別數據類型，硬體協議定義了總線識別系統的信號接入接口:信號接入口包括串並方式聲明位(Ibit)、串行總線數據交換位(Sbit)、並行數據(並行方式)或串行總線類型聲明位(串行方式)(9bit)、系統VCC與GND位(2bit)。
4.根據權利要求1所述的通用型測量儀表數據校正卡，其特徵在於:所述系統工作中先利用VCC位判斷設備是否連接，然後通過串並方式聲明位判斷系統工作方式:若為並行模式，系統通過並行數據位讀入數據交給軟體協議；若為串行方式，系統先根據串行總線類型聲明位確定總線類型，再驅動相應數據總線讀入數據；軟體協議規定了數據的長度、對齊方式、數據識別號等信息，由數據採集儀表與校正卡共同遵守；數據修正系統工作需要先對原儀表進行多組校正測量，每組測量的內容包括儀表測量結果、環境參量與作為參考數據的精密儀表的測量結果；上述測量結果存儲在系統的存儲設備中；系統不斷測量環境參數，在系統數據輸入系統接收到儀表輸送來的數據後，系統在存儲的數據中選擇儀表測量結果與環境測量結果最接近的四組數據；設備利用多維空間曲面微元法求解真實值的近似解，最終將求解結果輸出給輸出總線接口或發送到輸出設備。
【文檔編號】G01D3/028GK103674071SQ201310711887
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月17日 優先權日:2013年12月17日
【發明者】張世達, 李文茉, 王武迪, 蘇鴻全, 田月 申請人:吉林大學