模拟量信号采集精度提升的应用研究

李游

摘要:模拟量信号采集是空调的各个感官系统，其原理是将各类传感器、感温包的模拟量值输入到控制器的输入电路，通过MCU搭载的模数转换器换算成芯片可识别的数字量AD值，再将AD值还原成温度、压力等模拟量值，本质上是模→数→模的转换。随着人们生活品质的提升，空调系统的舒适性显得越发重要，而模拟量采集的精度直接影响到舒适性。本文对模拟量采集的各个环节进行逐层分析，深入研究提升精度的方法，为后续应用提供了可行性方向。

关键字:模拟量采集；精度；过采样；滤波

Abstract: Analog signal acquisition is the various sensory systems of air conditioning, its principle is to input the analog value of various sensors and temperature sensing packets to the input circuit of the controller, through the MCU equipped with the analog-to-digital converter converted into the chip can recognize the digital AD value, and then the AD value is restored to the analog value of temperature, pressure, etc., in essence is the conversion of analog → digital → analog. With the improvement of people's life quality, the comfort of air conditioning system becomes more and more important, and the accuracy of analog acquisition directly affects the comfort. In this paper, each link of the analog data acquisition is analyzed layer by layer, and the method of improving the accuracy is deeply studied, which provides a feasible direction for the subsequent application.

Key words: analog acquisition; Precision; Oversampling; filtering

引言

随着生活质量的提高，人们对空调的舒适性要求也越来越高。空调系统搭载的自动控制器通过感知各类温度、压力的变化，根据既定逻辑实现环境温度的控制。自动控制器对温度、压力等模拟量信号采集的精度，直接影响到空调系统的调节准确性，继而影响空调的舒适性。本文以解决实际售后问题为出发点，从硬件、软件、器件等方面对模拟量信号采集的各个环节逐层分析，旨在探讨实际应用中提升模拟量信号采集精度的方法。

1 问题描述

某空调在售后使用时经常出现高压压力对应的饱和温度值忽高忽低的情况，偶尔因温度值过高或过低报传感器故障。如某一稳定工况下，温度力传感器的值由35℃→37℃→69℃→17℃→21℃→69℃，波动剧烈。

2 问题原因分析

2.1硬件方面分析

此空调通过温度传感器采集系统温度，将温度值转换为电信号，传输给控制系统，控制系统经过换算得到温度/压力值，如下是采集过程原理图：

图1：模拟量采集过程原理图

所用传感器是集成温度传感器。集成温度传感器以晶体管作为感温元件，并将温敏晶体管及辅助电路集成在同一芯片上。单个晶体管基极—发射极之间的电压在恒定集电极电流的条件下，可以认为与温度呈单值线性关系。集成温度传感器的输出形式有电压型和电流型两种，此空调用的是0.5~4.5V电压型温度传感器。一般而言如果系统对采集精度要求较高的要求，因尽可能选用精度较高的传感器。核实本温度传感器的图纸发现其检测精度为±0.3℃。因此不会因为检测精度造成如此大的温度波动。

控制器MCU电压为3.3V，因此模拟量输入电路采用分压形式，将温度传感器的输入的0.5~4.5V电压转换转换为0.32~3V。如下是电路原理图：

图2：模拟量输入电路原理图

J1针座的1脚、2脚给温度传感器供+5V电源和地。4脚接温度传感器的电压输出端。R1与R2的比值是1:2，将温度传感器输出的电压的2/3输入到控制器MCU的模数转换接口。为保证得到的电压精度，R1、R2的精度选择了±1%。可以看到，电路中还增加了电容进行滤波。核实此空调控制器的PCB Layout，C2、C3电容已尽可能靠近针座，以减少5V的纹波对主板电路的影响。电阻R3和电容C4组成的滤波电路根据EFT实验测试情况适当的调整参数，R3阻值选取510Ω符合芯片的Datasheet要求。C4电容靠近MCU引脚，避免干扰信号会加载到长距离PCB印制线中，导致信号输入不稳定。

此空调控制器MCU具有AD采样功能，可实现模拟量到数字量之间的转换。模数转换器的位数直接决定了采样的精度。目前最常用的有8位、10位、12位。一般来说，AD转换器分为积分型和逐次逼近型两种。积分型一般用于精密仪表上，其特点为精度高、转换速度低、数值稳定。而逐次逼近型则一般被MCU等芯片选择，其特点为转换速度快、功耗低、在低分辨率（≤12位）时价格便宜，但高精度（＞12位）时价格较高。逐次逼近型AD转换器，由电压比较器、切换电容、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成。其工作原理是，1、采样状态：Sa切换至VIN，Sb开关闭合，电容充电至输入电压VIN。2、保持状态：Sa切换至VREF，VIN输入断开。Sb开关打开使电容保持输入电压，S1-S11切换至接地。3、第一个逼近步骤，S1切换至VREF，与1/2VREF比较，如果MSB = 0，则与1/4VREF进行比较。如果MSB =1，S1切换回接地，S2切换至VREF。如此类推，最终得出AD值。

图3：逐次逼近型AD转换器原理图

从以上的转换原理得知，MCU的AD转换器采样精度主要与缓冲寄存器的位数，也就是转换的次数有关，缓冲寄存器位数越多，采样精度越高。此空调温度传感器的范围是-50~150℃，如果采用8位的AD转换器，极限温度分辨率是[200/(28)]=0.78℃，如果采用10位的AD转换器，极限温度分辨率为[200/(210)]=0.19℃。该控制器MCU采用的是10位逐次逼近型AD转换器，在兼顾价格的同时也保证了更高精度。

2.2 软件方面分析

以上各环节通过各种方式在硬件上提升了采样精度，此空调控制器还在软件上作进一步的精度提升。根据奈奎斯特-香农定理：如果一个系统以超过信号最高频率至少两倍的速率对模拟信号进行均匀采样，那么原始模拟信号就能从采样产生的离散值中完全恢复。而过采样则是使用远大于奈奎斯特采样频率的频率对输入信号进行采样，可以更真实的重建被采集的原始信号，也能够一定程度上提高AD采样的分辨率。可以理解为，每增加1位精度，则需要过采样原来的2倍。此空调控制器10ms采样一次，为了过采样提高AD采样的分辨率，直接将采样一次更改为连续采样8次，将其结果累加并除以2，即可得到一个12位的AD值。

2.3 器件方面分析

以上分析未能锁定问题原因。回到问题本身，再次咨询现场机组维护人员，机组出现温度波动，一般都出现在关机后一段时间，且出现后过一段时间温度又会自行恢复。核实该空调无论从硬件还是从软件方案上都采用了一定的措施提升采样精度。结合售后问题现象，不太可能是因为方案存在缺陷导致采样到的温度波动如此剧烈，于是我们将目光锁定在温度传感器失效故障上。根据有关可靠性工程知识，器件在使用中出现故障失效，一般为环境应力、电应力、机械应力等对器件损害导致，而电应力、机械应力一般会造成永久性失效，从温度能自行恢复这一点可以排除这两种应力的损害，推测为温度传感器可能受环境应力导致异常。环境应力包括温度、湿度、辐射、腐蚀，现场核实没有出现腐蚀现象，因此也排除环境腐蚀的因素。会不会是辐射导致呢？辐射分为电磁辐射和热辐射，传感器附近没有强热源，没发现有热辐射痕迹，因此也排除辐射因素。温度传感器与控制器板之间有1根三芯连接线，三芯线分别是信号线、地线、5V，如果受到电磁辐射应该是由三芯线引入。核实厂内相同的机组，这根三芯线没有靠近强电线，且三芯线采用的是带屏蔽层的线，从强电端引入干扰的可能性不大。出厂前已按照GB/T 4343.2 《家用电器、电动工具和类似器具的电磁兼容要求》第二部分抗扰度要求测试合格。

剩余温度、湿度两个可能因素，与售后维护人员确认，传感器在压缩机运行时表面积聚非常多的凝露水，因此推测与湿度关系可能性最大。将厂内同款机组放在易产生凝露的环境下验证，按照“低温低湿→高温低湿→高温高湿保持→低温低湿保持”顺序循环交替，累计测试1600h。实验发现，其中1个温度传感器样品，在580h~700h之间输出电压出现波动，且此在1346h后输出电压出现明显下降：

图4：温度传感器样品输出电压曲线

这与售后问题现象一致。进一步分析，造成波动的原因是由于温度传感器装于高压侧，传感器内部温度高于环境温度，温度传感器端接插线部分的空气会膨胀，此时线束处的压力高于大气压。当机组不运行时，此时系统温度降至常温，传感器Pin针与塑料件之间存在配合间隙，接插线与外部空气并非完全隔绝，相当于负压吸气。若在夏天高温高湿的情况下，就会将潮气吸进接插线处，再通过PIN针进入传感器内部柔性电路，影响输出。这也正好印证了售后所描述的，温度波动现象出现在机组关机后。

3 问题解决措施

针对以上分析，锁定了问题原因，提出对策解决问题。制定了如下方案：

（1）对温度传感器Pin针根部灌胶加强密封，消除配合间隙措施，售后机组验证有效。

图5：灌胶后的温度传感器

（2）软件中对AD多次采样中，未剔除最大、最小值，对突然变大或变小的电压信号无法滤除，因此在AD采样程序中增加剔除最大、最小值操作，对滤除信号中短暂的尖峰有一定的效果。

4 结论

在模拟量采集实际应用中，无论是在硬件、软件还是传感器方面，均可以通过一定的方法提升采集精度。硬件方面主要是在控制器模拟量输入电路上增加电阻及电容滤除纹波干扰，在兼顾成本后尽可能采用缓冲寄存器的位数更多的模数转换器。软件方面在不增加额外成本的情况下应用过采样及尖峰滤波方式提升AD采样的精度。此外，传感器连接器的密封性至关重要，需考虑水汽凝露进入到传感器内部对采集的影响。各方面要统筹兼顾，协同提升模拟量采集的精度。

参考文献：

[1] 王佳 王亚军，进气压力传感器测量精度影响因素分析，科技新时代，2023.10

[2] 李永全 杨顺辽 孙祥娥，数字信号处理，华中科技大学出版社，2011.09

[3] 李国，基于过采样技术提高ADC分辨率的研究与实现，计算机工程，2005.07