專利名稱：基于dsp的差壓變送器的數(shù)據(jù)融合裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及差壓變送器的智能化領(lǐng)域，特別是差壓變送器的被測量與輸出值的數(shù)據(jù)融合 裝置及方法。
技術(shù)背景差壓變送器是用來檢測生產(chǎn)過程運(yùn)行中流體的流量、差壓等參數(shù)的現(xiàn)場儀表。從早期精度低、笨重的大位移水銀浮子式差壓計，到20世紀(jì)50年代體積大、可靠性差、精度低的力 平衡式差壓變送器。到了20世紀(jì)70年代，隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了第3代微位移電子式變 送器。經(jīng)過了幾十年的發(fā)展歷程，新一代差壓變送器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、精度高、可靠性好。 20世紀(jì)90年代以來，由于電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展以及微電子機(jī)械技術(shù)(Micro Electro Mechanical Technology簡稱MEMT)的出現(xiàn)，使傳感器越做越小，功能也越來越強(qiáng)。隨著控制系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，控制系統(tǒng)的發(fā)展越來越趨向于復(fù)雜化、高精度化和智能化， 系統(tǒng)要求傳感器可以組成高精度、功能強(qiáng)大的測控網(wǎng)絡(luò)。傳感器是實現(xiàn)測量與控制的首要環(huán) 節(jié)，是把非電量變成電量的敏感單元，使低層儀表智能化、使其測量精度更高是迫切要解決 的問題，而如今的傳感器在智能化方面還有很大的差距，如果能在敏感元件不變的情況下， 提升傳感器的測量精度，則可以在很大程度上提高控制系統(tǒng)所需信息的準(zhǔn)確性。借助于微處 理器性能的快速發(fā)展，使得這些設(shè)想可以變成現(xiàn)實。差壓變送器直接與被測介質(zhì)相接觸，經(jīng)常在惡劣環(huán)境中運(yùn)行，因此對變送器的精確度有很高的要求。而影響差壓變送器測量精度的主要原因在于傳感器的輸出-輸入特性具有非線 性特性且隨著時間的變化而發(fā)生漂移；差壓信號容易受環(huán)境溫度、靜壓等的變化而產(chǎn)生漂移。 最傳統(tǒng)的非線性傳感器特性線性化的方法是硬件補(bǔ)償法，這種方法難以做到全補(bǔ)償，并且補(bǔ) 償硬件的漂移會影響整機(jī)精度。最早對傳感器輸入-輸出特性的建模方法有最小二乘直線法、獨立直線法等，但不能滿 足高精度的要求，用高次曲線擬合又過于復(fù)雜，不能滿足使用要求。隨著祌經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展， BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法都用在了傳感器輸入-輸出特性的建模上，但他們都有 著容易陷入局部極小值、泛化能力差等缺點，隨著精度要求的不斷提高，需要尋求更好的建 模方法。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種基于DSP的差壓變送器數(shù)據(jù)融合裝置和方法，為差壓變送器 提供一種可嵌入的基于支持向量機(jī)的數(shù)據(jù)融合裝置，由DSP來進(jìn)行算法的處理和實現(xiàn)，提高
測量的精度并使差壓變送器智能化。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種基于DSP的差壓變送器數(shù)據(jù)融合裝置，包括微處理器DSP、 E2PROM、信號調(diào)理模 塊、AD轉(zhuǎn)換器、電源模塊，其特征在于差壓變送器的輸出經(jīng)過信號調(diào)理模塊和AD轉(zhuǎn)換器連 接到微處理器DSP，微處理器DSP連接E2PROM，微處理器DSP的輸出連接到一個串口 ， 由電源模塊為各器件提供工作電源。一種基于DSP的差壓變送器數(shù)據(jù)融合方法，采用上述裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，其特征在于運(yùn) 行的步驟如下-1) 系統(tǒng)的初始化E^ROM和微處理器DSP的初始化；2) 信號的接收差壓變送器輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號調(diào)理模塊、AD轉(zhuǎn)換器輸入到微處理器DSP中；3) 微處理器DSP根據(jù)支持向量機(jī)理論建立并設(shè)定初始化模型，包括初始化模型的參數(shù) 和初始化模型的核函數(shù)，根據(jù)已接收到的數(shù)據(jù)對初始化模型進(jìn)行訓(xùn)練，得到訓(xùn)練模型的 支持向量機(jī)和參數(shù)，消除了溫度、壓力等的干擾，提高差壓值的精度。整個過程的步驟如下 .① 建立并初始化模型包括初始化模型的參數(shù)、選定核函數(shù)及其參數(shù)；② 歸一化給定輸入值和期望的目標(biāo)值。公式如下<formula>formula see original document page 5</formula>式中-;: 一歸一化后的差壓傳感器輸出電壓；",一差壓傳感器輸出電壓；"自一 差壓傳感器輸出電壓最小值；W皿一差壓傳感器輸出電壓最大值；③ 用建立的初始化模型和樣本數(shù)據(jù)按照公式/(X"t/^(x,，x)+6計算差壓值；(=1式中A:—核函數(shù)系數(shù)；6: —閾值；A(JC,，JC):—核函數(shù)；X: —輸入量；X,: —支持向量；/'(X):—回歸函數(shù)；h —支持向量機(jī)個數(shù)； 求出計算得差壓值和期望差壓值的偏差；◎ 模型中的參數(shù)以及核函數(shù)中的參數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)；返回步驟②重復(fù)計算，直到誤差滿足要求為止； 確定訓(xùn)練模型的參數(shù)、核函數(shù)及其參數(shù)；4) 微處理器DSP接收新的數(shù)據(jù)，利用步驟3)建立好訓(xùn)練模型計算差壓值；5) DSP微處理器將處理好的數(shù)據(jù)存入E2PROM中并經(jīng)串口輸出；并至步驟4)。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點1. 基于支持向量機(jī)理論的建模方法，能夠在現(xiàn)有信息的情況下得到最優(yōu)解且無需經(jīng)驗知 識和深入了解差壓變送器的內(nèi)部機(jī)理，只需要使用輸入和輸出數(shù)據(jù)就可以實現(xiàn)差壓變 送器的數(shù)據(jù)融合；擬合精度高，泛化能力強(qiáng)，無過學(xué)習(xí)現(xiàn)象。2. 基于DSP的差壓變送器支持向量機(jī)數(shù)據(jù)融合裝置，軟硬件封裝完備，集成度高，體積 小，實時性、處理能力好。


圖1給出了祌經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一般學(xué)習(xí)框圖。 .圖2給出了基于支持向量機(jī)非線性校正過程。圖3給出了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。圖4給出了基于支持向量機(jī)的數(shù)據(jù)融合方法的流程圖。圖5給出了系統(tǒng)的工作流程圖。
具體實施方式
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例結(jié)合

如下參見圖3，本基于DSP的差壓變送器支持向量機(jī)數(shù)據(jù)融合裝置包括微處理器DSP 6、 E2PROM4、信號調(diào)理模塊2、 AD轉(zhuǎn)換器3、電源模塊5，所述的差壓變送器1的輸出經(jīng)過信 號調(diào)理模塊2和AD轉(zhuǎn)換器3連接到微處理器DSP 6，微處理器DSP 6連接E2PROM 4并輸 出到一個串口 7。由電源模塊5為各器件提供工作電源。參見圖4和圖5，本基于DSP的差壓變送器支持向量機(jī)數(shù)據(jù)融合方法，采用上述裝置進(jìn) 行數(shù)據(jù)融合，其運(yùn)行的步驟為1) 系統(tǒng)的初始化E^ROM4和微處理器DSP6的初始化；2) 信號的接收差壓變送器l輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號調(diào)理模塊2、 AD轉(zhuǎn)換器3輸入到微 處理器DSP6中；3) 微處理器DSP 6根據(jù)支持向量機(jī)理論建立并設(shè)定初始化模型，包括初始化模型的參數(shù) 和初始化模型的核函數(shù)，根據(jù)已接收到的數(shù)據(jù)對初始化模型進(jìn)行訓(xùn)練，得到訓(xùn)練模型的 支持向量機(jī)和參數(shù)，消除了溫度、壓力等的干擾，提高差壓值的精度。整個過程的步驟 如下 ① 建立并初始化模型包括初始化模型的參數(shù)、選定核函數(shù)及其參數(shù);② 歸一化給定輸入值和期望的目標(biāo)值。公式如下式中歸一化后的差壓傳感器輸出電壓；",一差壓傳感器輸出電壓；"min —差 壓傳感器輸出電壓最小值；wmax—差壓傳感器輸,'li電壓最大值；③用建立的初始化模型和樣本數(shù)據(jù)按照公式(9)計算差壓值； 求出計算得差壓值和期望差壓值的偏差； ⑤模型中的參數(shù)以及核函數(shù)中的參數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)； 返回步驟②重復(fù)計算，直到誤差滿足要求為止； ◎ 確定訓(xùn)練模型的參數(shù)、核函數(shù)及其參數(shù)；4) 微處理器DSP6接收新的數(shù)據(jù)，利用步驟3)建立好訓(xùn)練模型計算差壓值；5) DSP微處理器6將處理好的數(shù)據(jù)存入E^ROM4中并經(jīng)串口 7輸出；并至步驟4)。 下面作進(jìn)一步說明基于支持向量機(jī)的數(shù)據(jù)融合方法支持向量機(jī)是一種學(xué)習(xí)模型，圖1給出了一般情況下神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的模型。支持向量機(jī) 的基本思想是用核映射的方法將非線性問題轉(zhuǎn)化為高維的特征空間，在高維特征空間中構(gòu)造 線性判別函數(shù)來實現(xiàn)原空間中的非線性判別函數(shù)，如圖2所示。差壓變送器輸入輸出關(guān)系可以表示為<formula>formula see original document page 7</formula>2)其中X為差壓變送器的輸入量，《為輸出量，fl和6為輸入信號的范圍。輸入樣本為<formula>formula see original document page 7</formula>首先，將x域用一個非線性變換;c —00c)，將輸入空間映射到一個高維的特征空間，然后 在這個高維的特征空間中進(jìn)行線性回歸，艮P-<formula>formula see original document page 7</formula>3)式中" "表示向量的點積，w為支持向量機(jī)系數(shù)，6為閾值。根據(jù)結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化準(zhǔn)則，在允許誤差的情況下，最優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為目標(biāo)函數(shù) mii4HI2+ct(W)……(4)其中，c為一個給定常數(shù)，f ，《是松弛變量。采用f-不敏感損失函數(shù)，最小化的約束條件為/0C,.) ,SC+s， y,陽/(X,)S^+6"， ^,^20。引入拉格朗日函數(shù)《,)=去I,2 +c玄& )匿t (s+《-/ * (x,))-2 '=1 ……(5)Z k+《+乂 - / (x, ))-Z +)1=1 1=1 式中，^a,'，r,，^20,皆為系數(shù)。令公式(5)中《,6,《"/的偏導(dǎo)數(shù)都等于零，將偏導(dǎo)結(jié)果代入公式(4)得到對偶優(yōu)化問題。其最大化目標(biāo)函數(shù)為/=
2"戶i ,、i其約束條件為t (化=0 ，《,a,' e[O，c]，公式(5)中0(x,X、)為高維特征空間的點積運(yùn)算，令核函數(shù)^Xjc,) 0,)^(x》，因此，目標(biāo)函數(shù)變?yōu)?、1,'=i 2''j'=i '=i在約束條件先解上公式得到……(8)令"=",-《* ， "^o對應(yīng)于支持向量機(jī)?；貧w函數(shù)變?yōu)?(x"t脾,，,……(9)
權(quán)利要求
1. 一種基于DSP的差壓變送器數(shù)據(jù)融合裝置，包括微處理器DSP(6)、E2PROM(4)、信號調(diào)理模塊(2)、AD轉(zhuǎn)換器(3)、電源模塊(5)，其特征在于差壓變送器(1)的輸出經(jīng)過信號調(diào)理模塊(2)和AD轉(zhuǎn)換器(3)連接到微處理器DSP(6)，微處理器DSP(6)連接E2PROM(4)，微處理器DSP(6)輸出連接到一個串口(7)，由電源模塊(5)為各器件提供工作電源。
2. —種基于DSP的差壓變送器數(shù)據(jù)融合方法，采用權(quán)利要求書1所述基于DSP的差壓變送 器數(shù)據(jù)融合裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，其特征在于運(yùn)行的步驟如下1) 系統(tǒng)的初始化E2PROM (4)和微處理器DSP (6)的初始化；2) 信號的接收差壓變送器(1)輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號調(diào)理模塊(2)、 AD轉(zhuǎn)換器(3) 輸入到微處理器DSP (6)中；3) 微處理器DSP (6)根據(jù)支持向量機(jī)理論建立設(shè)定初始化模型、初始化模型參數(shù)，根 據(jù)d接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的訓(xùn)練，得到訓(xùn)練模型的支持向量機(jī)和參數(shù)，消除溫度、 壓力干擾，提高測量值的精度；4) 微處理器DSP (6)接收新的數(shù)據(jù)，利用步驟3)建立好的訓(xùn)練模型計算輸出值；5) 微處理器DSP (6)將處理好的數(shù)據(jù)存入E2PROM (4)中并經(jīng)串口 (7)輸出；并至 步驟4)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求書2所述的DSP的差壓變送器數(shù)據(jù)融合方法，其特征在于所述步驟3)的 具體操作步驟為-① 建立并初始化模型包括初始化模型的參數(shù)、選定核函數(shù)及其參數(shù)；② 歸一化給定輸入值和期望的目標(biāo)值，公式如下<formula>formula see original document page 2</formula>式中-;: 一歸一化后的差壓傳感器輸出電壓；",一差壓傳感器輸出電壓；"mm — 差壓傳感器輸出電壓最小值；"max —差壓傳感器輸出電壓最大值；③用建立的初始化模型和樣本數(shù)據(jù)按照公式/'(1)=^^^《,"+6計算差壓值；'=1式中 <formula>formula see original document page 2</formula>A: —核函數(shù)系數(shù)；6: —閾值；A:(^,JC):—核函數(shù)；；c : 一輸入值；X,:— 支持向量；/'(X): —回歸函數(shù)；—支持向量機(jī)個數(shù); 求出計算得差壓值和期望差壓值的偏差；⑤ 模型中的參數(shù)以及核函數(shù)中的參數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)； 返回步驟②重復(fù)計算，直到誤差滿足要求為止；⑥ 確定訓(xùn)練模型的參數(shù)、核函數(shù)及其參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于DSP的差壓變送器的被測量與輸出值的數(shù)據(jù)融合裝置及方法。本裝置包括微處理器DSP、E²PROM、信號調(diào)理模塊、AD轉(zhuǎn)換器、電源模塊，其特征在于差壓變送器的輸出經(jīng)過信號調(diào)理模塊和AD轉(zhuǎn)換器連接到微處理器DSP，微處理器DSP連接E²PROM，微處理器DSP的輸出連接到一個串口，由電源模塊為各器件提供工作電源。本方法是采用上述裝置，由DSP來進(jìn)行算法的處理和實現(xiàn)，提高測量的精度并使差壓變送器智能化。本發(fā)明集成度高，體積小，實時性、處理能力好。
文檔編號G01D5/12GK101398314SQ20081020197
公開日2009年4月1日 申請日期2008年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月30日
發(fā)明者付敬奇, 靜 李 申請人:上海大學(xué)