非線性軟件校正原理

一個受多個參量影響的傳感器係統可表示為y=f(x，t1，t2，…
，tk)，其中，x為待測目標參量，t1，t2
，…
，tk為k個非目標參量，y為wei傳chuan感gan器qi輸shu出chu。為wei了le消xiao除chu非fei目mu標biao參can量liang對dui傳chuan感gan器qi輸shu出chu的de影ying響xiang，一yi般ban采cai用yong逆ni向xiang建jian模mo的de方fang法fa。實shi際ji測ce量liang的de數shu據ju，由you於yu受shou非fei目mu標biao參can量liang的de影ying響xiang
，它ta與yu目mu標biao參can量liang之zhi間jian的de函han數shu關guan係xi不bu再zai是shi線xian性xing的de。逆ni向xiang建jian模mo的de目mu的de是shi通tong過guo非fei線xian性xing映ying射she，把ba非fei線xian性xing函han數shu關guan係xix=f-1(y
，t1，t2
，…，tk)向線性函數關係x=y/A逼bi近jin。在zai模mo型xing中zhong

，測ce量liang數shu據ju和he非fei目mu標biao參can量liang的de測ce量liang值zhi作zuo為wei輸shu入ru，目mu標biao參can量liang的de線xian性xing值zhi作zuo為wei模mo型xing的de輸shu出chu，按an照zhao一yi定ding的de算suan法fa原yuan則ze，不bu斷duan調tiao整zheng模mo型xing的de參can數shu，使shi得de模mo型xing輸shu出chu誤wu差cha在zai允yun許xu的de範fan圍wei之zhi內nei。

在本係統中，選用模擬溫度傳感器AD590作為校正目標，數字溫度傳感器DS18B20測量值作為模型的期望輸出
，氣體傳感器TGS813測量值為非目標參量輸入。係統采用ALTERA公司CYCLONEⅡ係列的EP2C35F672 FPGA作為核心處理器，采用QUARTUS-Ⅱ自帶的SOPC Builder開發包作為算法的調試環境，在FPGA其內部實現測量數據的智能處理。

係統方案實現

傳感器調理電路

AD590是美國模擬器件公司生產的單片集成兩端感溫電流源

，流過器件的電流(μA)等於器件所處環境的熱力學溫度(K)度數，AD590隨溫度變化輸出的是電流信號，需要將其轉換為電壓信號。由於AD590靈敏度高
，受環境的影響大，在使用前需要校正。在本文中，利用神經網絡算法對AD590的輸出進行了校正。

DS18B20是Dallas半導體公司推出的一線式數字化溫度傳感器，可以程序設定9～12位的分辨力
，精度為±0.5℃。本文采用外接電源模式，12 bit數據輸出格式。

TGS813是一種由SnO2材料組成的燒結體半導體氣體傳感器

，屬於一種廣譜性氣敏元件
，對多種氣體敏感，對不被檢測氣體不敏感;由於輸出電壓最高可以達到+9 V，而後級模擬數字轉換電路的輸入電壓不超過+5 V，所以，使用前需要調整分壓電阻器的阻值。

模擬數字轉換電路

來lai自zi傳chuan感gan器qi的de模mo擬ni信xin號hao，在zai送song入ru模mo擬ni數shu字zi轉zhuan換huan電dian路lu之zhi前qian
，由you於yu器qi件jian的de輸shu入ru阻zu抗kang比bi較jiao低di，而er傳chuan感gan器qi的de輸shu出chu阻zu抗kang較jiao高gao
，不bu能neng直zhi接jie把ba模mo擬ni信xin號hao送song入ru模mo擬ni數shu字zi轉zhuan換huan電dian路lu。本ben文wen采cai用yongTLC279構成電壓跟隨器，實現阻抗變換。考慮到在FPGA實現的算法處理對數據的精度敏感，因此，係統選用了四路模擬量輸入的12 bit串行數據輸出的TLV2544作為模擬數字轉換電路的核心芯片。

TLV2544是TI公司生產的高性能12位低功耗、高速(3.6μs)CMOS模數轉換器，具有采樣一保持功能，電源電壓為2.7～5.5V。TLV2544還具有3個輸入端和1個三態輸出端，可為最流行的微處理器串行端口(SPI)提供4線接口。器件在上電初始化時首先需要將初始化命令A000h寫入CFR配置寄存器，然後，對器件進行編程，其編程方法是在初始化命令A000h的低12位000h寫入編程數據以規定器件的工作方式。TLV2544具有4種轉換模式：單次模式、重複模式、掃描模式和重複掃描模式
，可用模式00.01
，10

，11表示。圖1為TLV2544和單片機AT89C2051的接口電路。該電路采用外部基準，REFP與REFM之間接0.1μF和10μF2隻去耦電容器。

圖1：TLV2544控製電路

各路信號送入微處理器AT89C2051
，經串行口發送給係統板。微處理器的軟件設計主要是在接收到SOPC係統控製發送的采集命令(0x41H)

，啟動TLV2544和DS18B20，將數據轉為ASCII碼發送。DS18B20和TLV2544都是12bit輸出
，所以，每次發送9個ASCII碼，分別代表3個數據源的轉換結果。

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神經網絡校正算法

利用BP神經網絡實現非線性誤差軟件校正的文獻較多，但主要是基於PC機的仿真實驗。單片微處理器由於存儲容量和數據總線寬度的限製，網絡結構類型和計算精度隻能控製在一定範圍之內。SOPC在大規模集成電路的基礎上，底層電路采用硬件描述語言實現，而軟件算法則在SOPC IDE調試環境下采用高級語言，如C語言實現。在本文中，SOPC係統板采用NIOS-Ⅱ軟核微處理器
，32 bit總線，工作頻率為50 MHz，BP神經網絡采用動量法，在ALTERA公司提供的SOPC IDE調試環境下完成。算法處理結構如圖2所示。
 

圖2：神經網絡校正算法係統框圖

算法測試

本文采用三層前向網絡


，輸入層神經元2個

，分別代表溫度傳感器ADS90和氣體傳感器TGS813輸入信號
，DS18B20的測量值作為AD590的期望值，輸出層神經元1個，代表AD590的校正值。

本文共采集了70個樣本對數據作為神經網絡的輸入。神經網絡的訓練采樣動量自適應算法，剔除部分不符合要求的樣本，58個樣本作為訓練樣本，8個樣本作為測試樣本。BP神經網絡采用C語言編程實現，由於微處理器與PC機(ji)相(xiang)比(bi)，在(zai)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)和(he)總(zong)線(xian)結(jie)構(gou)方(fang)麵(mian)還(hai)存(cun)在(zai)很(hen)大(da)差(cha)距(ju)，因(yin)此(ci)，在(zai)計(ji)算(suan)算(suan)法(fa)的(de)誤(wu)差(cha)輸(shu)出(chu)時(shi)，本(ben)文(wen)采(cai)用(yong)的(de)是(shi)各(ge)個(ge)訓(xun)練(lian)樣(yang)本(ben)的(de)絕(jue)對(dui)誤(wu)差(cha)的(de)累(lei)加(jia)和(he)，而(er)不(bu)是(shi)均(jun)方(fang)根(gen)誤(wu)差(cha)，這(zhe)樣(yang)，可(ke)以(yi)避(bi)免(mian)大(da)量(liang)的(de)乘(cheng)法(fa)和(he)開(kai)方(fang)運(yun)算(suan)，否(fou)則(ze)

，算(suan)法(fa)很(hen)難(nan)收(shou)斂(lian)。 作為BP神shen經jing網wang絡luo動dong量liang法fa的de重zhong要yao參can數shu，如ru果guo學xue習xi率lv參can數shu選xuan擇ze的de範fan圍wei比bi較jiao窄zhai
，那na麼me，網wang絡luo性xing能neng的de隨sui機ji性xing特te點dian就jiu會hui非fei常chang明ming顯xian，不bu利li於yu網wang絡luo的de推tui廣guang應ying用yong。圖tu3是選擇不同的學習率時網絡輸出誤差的變化情況。測試條件是動量係數為0.9，增益為1，隱含層節點6個
，算法停止迭代的判斷條件是輸出絕對誤差累加和小於0.01。

圖4是58對訓練樣本完成網絡訓練後的測試結果。由於BP神經網絡的性能受隱含層節點個數影響比較大，圖中數據是在不同隱含層節點個數的條件下得到的，並與MATLAB軟件仿真得到的結果作了比較。網絡訓練的條件：學習率為0.1，動量係數為0.9
，增益為1，SOPC停止迭代的判斷條件是輸出絕對誤差累加和小於0.01
，MATLAB停止迭代的判斷條件是均方根誤差小於0.0001
，圖中，n代表隱含層節點個數。
 

圖3：學習率對網絡輸出誤差的影響

圖4：隱含層節點數對網絡輸出的影響

由於采用的是12 bit的A/D轉換芯片
，采集數據送入FPGA係統板後，經過歸一化處理，數據類型發生變化。與MATLAB仿真軟件輸出結果保持一致，基於FPGA的神經網絡輸出取小數點後4位有效數字。由圖4可以得出：雖然在個別測試點上基於MATLAB軟件仿真結果優於SOPC的輸出結果
，但在隱含層節點對算法性能的影響程度上，基於SOPC技術的輸出受到的影響比較小
，穩定性好
，這與SOPC技術采用32位字長有很大關係。

結論

基於FPGA的SOPC技術不同於IC芯片設計，它是把已有的模塊資源組合成一個係統，係統的功能直接由載體FPGA芯片實現;它又不同於傳統的基於單片微處理器的係統設計，因為SOPC係統的微處理器性能和外圍接口控製電路都是由用戶編程設定的，因此，采用SOPC技術可以節省成本，提高資源利用率，縮短開發周期和便於係統升級等特點。本文采用基於FPGA的SOPC技術研究了傳感器非線性軟件校正的問題。算法的測試結果證實了方法的可行性。