温度传感器冗余设计的电流频率转换电路及温度补偿方法与流程

1.本发明属于电流频率转换技术领域，具体涉及一种惯性导航领域的温度传感器冗余设计的电流频率转换电路及温度补偿方法。


背景技术：

2.电流频率转换电路在惯性导航领域得到了越来越广泛的应用，主要功能在于将电流信号转换为与之对应的频率信号，实现脉冲的输出。但传统转换电路本身补偿方式为硬件补偿或者软件补偿，硬件补偿的方式是通过焊接温补型电流源以及调试电阻以改变恒流源输出电流的大小，从而起到调整标度因数变化量的作用。但是硬件补偿只能根据测试的温度点建立直线模型，补偿方式简单，补偿效果较差。软件补偿方式是通过采集温度传感器信息来建立温度补偿模型，在系统工作过程中根据数学模型对输出频率进行实时的补偿，这种补偿方式效果较好，但是目前采用的温度传感器多为恒流源电路中恒流源模块内部自带的ds18b20数字温度传感器，温度信息更新速度为750ms，不能满足系统对于温度信息毫秒级实时更新的要求。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种温度传感器冗余设计的电流频率转换电路及温度补偿方法，通过软件方式完成数据补偿，在此基础上采用双温度传感器采集温度信息，当单个温度传感器失效后，另一温度传感器的参数值可直接代替失效温度传感器的参数值参与补偿算法运算。同时在电路设计中无需增加额外的电路，提高转换电路的可靠性。
4.为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种温度传感器冗余设计的电流频率转换电路，包括
5.积分电路，用于对输入电流进行积分生成积分电压；
6.ad采样电路，用于周期采集积分电压，将积分电压与预设的门限电压比较，输出高低电平；
7.恒流源电路，包括恒流源模块、第一温度传感器、第二温度传感器，所述恒流源模块用于稳定输出电流至积分电路，所述第一温度传感器、第二温度传感器均用于测量恒流源模块的温度数据；
8.fpga模块，包括逻辑数据处理与温补参数补偿子模块、信号控制子模块以及内部集成的adc；所述fpga模块内部集成的adc用于采集第二温度传感器的温度数据；所述逻辑数据处理与温补参数补偿子模块用于对第一温度传感器、第二温度传感器测量的温度数据进行判断，确定用于补偿的温度数据，并计算补偿后的频率信号；所述信号控制子模块用于根据ad采样电路输出电平控制开关电路的通断，从而控制控制恒流源电路的接入或断开。
9.进一步地，所述第一温度传感器为数字温度传感器，所述第二温度传感器为模拟温度传感器。
10.进一步地，所述第二温度传感器测温范围为-55℃～150℃。
11.进一步地，所述ad采样电路输出的高低电平进行匹配计算后输入fpga模块，fpga模块的输入电平
[0012]vf
＝(v
ad
+v
δ
)*0.33
[0013]
其中，vf为fpga模块的输入电平，v
ad
为ad采样电路的输出电平，v
δ
为fpga参考基准电平。
[0014]
本发明还提供了一种温度传感器冗余设计的电流频率转换电路温度补偿方法，采用上述电流频率转换电路，包括如下步骤
[0015]
采集第一、第二温度传感器的温度数据，计算两个温度传感器的第一温差，判断第一温差是否不大于第一阈值，若不大于第一阈值，则采用第二温度传感器的温度数据进行补偿计算；
[0016]
若第一温差大于第一阈值，更新第一、第二温度传感器的温度数据，计算两个温度传感器的第二温差；若第二温差不大于第一阈值，则采用更新的第二温度传感器的温度数据进行补偿计算；
[0017]
若第二温差大于第一阈值，则计算第二温度传感器前后温度差值，若第二温度传感器前后温度差值不大于第二阈值，则采用更新的第二温度传感器的温度数据进行补偿计算；
[0018]
若第二温度传感器前后温度差值大于第二阈值，计算第一温度传感器前后温度差值，若第一温度传感器前后温度差值不大于第二阈值，则采用更新的第一温度传感器的温度数据进行补偿计算，若第一温度传感器前后温度差值大于第二阈值，则报告温度数据故障。
[0019]
进一步地，当第二温度传感器前后温度差值不大于第二阈值时，还要判断第一温度传感器前后温度差值是否大于第二阈值，若大于，报告第一温度传感器故障。
[0020]
进一步地，所述补偿计算方法为
[0021]k补
＝a4t4+a3t3+a2t2+a1t+a0[0022]
其中，k
补
为补偿后的频率，a4～a0为补偿参数。
[0023]
本发明与现有技术相比的有益效果：
[0024]
本发明电流频率转换电路采用温度传感器冗余设计，将模拟温度传感器的温度数据纳入参数补偿运算，将数字温度传感器作为冗余设计，解决了系统对于温度信息实时更新的要求，避免因为温度传感器失效导致的可能后果，包括补偿效果丧失以及对系统输出的影响。
附图说明
[0025]
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]
图1为本发明具体实施例提供的温度传感器冗余设计的电流频率转换电路框图；
[0027]
图2为本发明具体实施例提供的温度补偿方法流程图。
具体实施方式
[0028]
下面对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。
[0029]
在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
[0030]
本发明提供的一种温度传感器冗余设计的电流频率转换电路，包括
[0031]
积分电路用于对输入电流进行积分生成积分电压；
[0032]
ad采样电路用于周期采集积分电压，将积分电压与预设的门限电压比较，输出高低电平；
[0033]
恒流源电路包括恒流源模块、第一温度传感器、第二温度传感器，恒流源模块用于稳定输出电流至积分电路，第一温度传感器、第二温度传感器均用于测量恒流源的温度数据，作为电流频率转换电路的温度，第一温度传感器为数字温度传感器、第二温度传感器为模拟温度传感器；
[0034]
fpga模块包括逻辑数据处理与温补参数补偿子模块、信号控制子模块以及内部集成的adc；fpga模块内部集成adc，用于采集第二温度传感器的温度数据；逻辑数据处理与温补参数补偿子模块用于对第一温度传感器、第二温度传感器测量的温度数据进行判断，确定用于补偿的温度数据，并计算补偿后的频率信号；信号控制子模块用于根据ad采样电路输出电平控制开关电路的通断，从而控制控制恒流源电路的接入或断开。
[0035]
本发明提供了电流频率转换电路的温度补偿方法，包括
[0036]
采集第一、第二温度传感器的温度数据，计算两个温度传感器的第一温差，判断第一温差是否不大于第一阈值，若不大于第一阈值，则采用第二温度传感器的温度数据进行补偿计算；
[0037]
若第一温差大于第一阈值，更新第一、第二温度传感器的温度数据，计算两个温度传感器的第二温差；若第二温差不大于第一阈值，则采用更新的第二温度传感器的温度数据进行补偿计算；
[0038]
若第二温差大于第一阈值，则计算第二温度传感器前后温度差值，若第二温度传感器前后温度差值不大于第二阈值，则采用更新的第二温度传感器的温度数据进行补偿计算；
[0039]
若第二温度传感器前后温度差值大于第二阈值，计算第一温度传感器前后温度差值，若第一温度传感器前后温度差值不大于第二阈值，则采用更新的第一温度传感器的温度数据进行补偿计算，若第一温度传感器前后温度差值大于第二阈值，则报告温度数据故障。
[0040]
进一步地，当第二温度传感器前后温度差值不大于第二阈值时，还要判断第一温度传感器前后温度差值是否大于第二阈值，若大于，报告第一温度传感器故障。
[0041]
下面结合一个具体实施例对本发明的技术方案进行详细阐述。
[0042]
如图1所示，一种温度传感器冗余设计的电流频率转换电路，具体包括:积分电路、ad采样电路、fpga模块、开关电路、恒流源电路以及数字化输出电路。fpga模块包括逻辑数
据处理与温补参数补偿子模块以及信号控制子模块两部分。
[0043]
温度传感器包括纳入参数补偿运算的第二温度传感器，以及作为冗余的第一温度传感器。其中第一温度传感器为恒流源电路的数字温度传感器ds18b20，第二温度传感器选用恒流源电路内部的闲置温度传感器ad590，ad590为单片模拟集成两端感温电流源，测温范围为-55℃～150℃，需要额外的adc(模拟数字转换器)进行温度数据的采集，无法直接进行数字信号传输，因此ad590温度数据传输速率取决于fpga的采样速率。本发明中选取了内部集成adc的fpga，通过adc直接进行ad590温度数据的采集，从而实现在不增加额外硬件电路的条件下，实现对ad590的温度信息采集。同时adc的采样速率一般均为几百khz以上，因此对应的的温度信息采集时间为几十μs，可以满足毫秒级温度信息更新的需求。
[0044]
上述电流频率转换电路的工作过程如下：
[0045]
当电流输入到积分电路时，积分电路进行积分产生积分电压，ad采样电路按周期对积分电路输出积分电压u
th
进行采集，并将电压值与预设的门限电压v
th
进行比较。当积分电压低于当前所比较的门限电压时，ad采样电路输出为低电平，电流频率转换电路无频率输出；当高于当前所比较的门限电压时ad采样电路输出为高电平，电流频率转换电路进入反馈阶段，直到反馈阶段结束，进入下一个周期。ad采样电路输出的高低电平需进行匹配计算后输入fpga模块，fpga模块的输入电平计算方式如式(1)所示：
[0046]vf
＝(v
ad
+v
δ
)*0.33
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0047]
其中，vf为fpga模块的输入电平，v
ad
为ad采样电路的输出电平，v
δ
为fpga参考基准电平。
[0048]
其中反馈阶段由fpga的信号控制子模块，根据vf的大小控制开关电路通断，实现对恒流源电路输出的控制。此时反馈阶段产生的输出脉冲即为脉冲频率信号。为了满足输出脉冲频率信号对对称性及非线性以及温度一致性的指标要求，通过fpga内部逻辑数据处理和温补参数补偿进行补偿处理，然后将补偿后的输出频率信号通过数字化通信的方式进行数据传输。
[0049]
电流频率转换电路的温度信息t1采集来自恒流源电路模块内部的数字温度传感器ds18b20，采样频率取决于fpga内部自带adc的采样速率，可设置为f。同时恒流源电路模块内部的模拟温度传感器ad590温度信息t2同时发送到fpga。模拟温度传感器ad590的采样速率依赖fpga内部自带adc，采样速率高，可以优先将温度信息t2直接纳入参数补偿算法中参与补偿计算，当出现t2温度信息失效或者丢失情况，补偿算法从fpga寄存器读取t1温度信息进行计算，实现冗余。
[0050]
本发明还提供了上述电流频率转换电路的温度补偿方法，如图2所示，包括如下步骤：
[0051]
首先采集第一温度传感器(ds18b20)以及第二温度传感器2(ad590)的温度传感器信息t1、t2，对温度信息进行做差比较，若差值不大于预设阈值δ1，即|t
2-t1|≤δ1，则直接将温度信息t2纳入补偿计算中，补偿计算公式如下式(2)所示：
[0052]k补
＝a4t4+a3t3+a2t2+a1t+a0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0053]
式中，a4～a0为补偿参数，可以通过温度建模计算获得；k
补
为补偿后的频率。
[0054]
若t1、t2差值大于预设阈值δ1，即|t
2-t1|＞δ1，则再次更新第一温度传感器以及第二温度传感器的温度信息，得到t1'、t2'。并将更新后的的温度信息t1'、t2'进行差值计
算，若t1'、t2'差值不大于预设阈值δ1，即|t2'-t1'|≤δ1，则直接将温度信息t2'依据公式(2)进行温度补偿计算。
[0055]
若t1'、t2'差值依旧大于预设阈值δ1，即|t2'-t1'|＞δ1，则先判断第二温度传感器两次温度采集信息的差值是否大于预设阈值δ2，若大于，即|t2'-t2|＞δ2，则继续判断第一温度传感器两次温度采集信息的差值是否大于预设阈值δ2，若大于，即|t1'-t1|＞δ2，则温度信息报故，两个温度传感器均故障；若不大于，即|t1'-t1|≤δ2，则将温度信息t1'纳入后续补偿计算中，补偿计算公式与上式(2)相同。
[0056]
若第二温度传感器两次温度采集信息的差值不大于预设阈值δ2，即|t2'-t2|≤δ2，都将温度信息t2'纳入补偿计算中，但还需继续判断第一温度传感器两次温度采集信息的差值是否大于预设阈值δ2，进而对第一温度传感器是否失效做出判断。具体为，若是|t1'-t1|≤δ2，第一温度传感器有效，否则记录第一温度传感器失效。
[0057]
优选的，δ1取值范围为0＜δ1≤1
°
，δ2取值范围为5
°
≤δ2≤10
°
。
[0058]
本发明提供的电流频率转换电路，通过软件方式完成数据补偿，采用双温度传感器采集温度信息，当单个温度传感器失效后，另一温度传感器的参数值可直接代替失效温度传感器的参数值参与补偿算法运算；同时在电路设计中无需增加额外的电路，提高转换电路的可靠性。
[0059]
如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。
[0060]
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。
[0061]
这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。
[0062]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0063]
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。