基于CW32的儀表精度測量實(shí)現(xiàn)(三)：標(biāo)定與校準(zhǔn)

標(biāo)定的概念

標(biāo)定是一種校準(zhǔn)過程，它通過與已知的標(biāo)準(zhǔn)或參考值進(jìn)行比較來確保測量設(shè)備、儀器或系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。這個(gè)過程涉及調(diào)整設(shè)備，以消除系統(tǒng)誤差和提高測量結(jié)果與真實(shí)值的一致性，從而確保數(shù)據(jù)的精確度和可重復(fù)性。

1.為什么去標(biāo)定

我們使用單片機(jī)ADC讀取的電壓電流值由于制造公差、溫度變化、時(shí)間老化、電源波動等因素引起的初始誤差和漂移，我們需要對電壓電流進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)，使得我們得到的電壓電流值是正確的。

2.標(biāo)定的方法

標(biāo)定的方法多種多樣，我們需要根據(jù)自己的需求來選擇相應(yīng)的方法，常見的標(biāo)定方法如下所示：

(1)直接比較法：

將待標(biāo)定的測量設(shè)備與一個(gè)已知準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行比較，直接讀取并記錄差異。

(2)多點(diǎn)標(biāo)定法：在多個(gè)已知的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)上進(jìn)行測量，收集數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后通過數(shù)學(xué)模型（如多項(xiàng)式擬合）來確定設(shè)備輸出與標(biāo)準(zhǔn)值之間的關(guān)系。(3)線性回歸法：使用最小二乘法等統(tǒng)計(jì)技術(shù)，通過擬合最佳擬合線來確定設(shè)備輸出與標(biāo)準(zhǔn)輸入值之間的線性關(guān)系。(4)分段線性標(biāo)定：當(dāng)測量設(shè)備的響應(yīng)在不同輸入范圍內(nèi)呈現(xiàn)不同的線性度時(shí)，可以采用分段線性標(biāo)定，即在不同的輸入范圍內(nèi)使用不同的線性模型。

(5)非線性標(biāo)定：

對于非線性設(shè)備，使用非線性函數(shù)（如指數(shù)、對數(shù)或S形曲線）來描述輸入與輸出之間的關(guān)系。

標(biāo)定的實(shí)現(xiàn)

1.CW32開發(fā)板的實(shí)物圖和原理圖

2.軟件代碼講解

（1）濾波算法在做電壓值的校準(zhǔn)之前，我們根據(jù)傳感器采集到的是連續(xù)性的時(shí)間序列信號，所以我們可以采用了均值濾波對單片機(jī)采集到的AD值進(jìn)行濾波處理。在程序中我首先初始化總和、最大值和最小值變量，然后在一個(gè)循環(huán)中累加數(shù)組 value 中所有元素的值，并同時(shí)更新最大值和最小值。循環(huán)結(jié)束后，從總和中減去最大值和最小值，以排除可能的異常數(shù)據(jù)點(diǎn)，最后將調(diào)整后的總和除以數(shù)組元素?cái)?shù)減去2，得到并返回一個(gè)濾除極端值后的均值。這種方法有助于減少數(shù)據(jù)中的噪聲，特別是當(dāng)數(shù)據(jù)集中包含異常高值或低值時(shí)。代碼如下所示：

uint32_t Mean_Value_Filter(uint16_t *value, uint32_t size) //均值濾波 { uint32_t sum = 0; //ADC采樣數(shù)據(jù)和 uint16_t max = 0; uint16_t min = 0xffff; //min初值取最大是為了將第一個(gè)數(shù)據(jù)記錄 int i; for(i = 0; i < size; i++) { sum += value[i]; if(value[i] > max) { max = value[i]; } if(value[i] < min) { min = value[i]; } } sum -= max + min; //去除最大最小值 sum = sum / (size - 2); return sum; }

（2）分段線性標(biāo)定

在代碼中定義了電壓校準(zhǔn)的相關(guān)變量X06和X12，分別代表著6V對應(yīng)的AD代碼值和12V對應(yīng)的AD代碼值。其中還定義了縱坐標(biāo)的變量Y06和Y12，這個(gè)對應(yīng)著電壓值6V和12V。最后定義了坐標(biāo)軸的斜率K,如下所示：

//5V與15V 校準(zhǔn) unsigned int X06=0; unsigned int X12=0; unsigned int Y06=6; unsigned int Y12=12; float K; //斜率

在標(biāo)定校準(zhǔn)之前，我們需要計(jì)算斜率，根據(jù)兩點(diǎn)確定一條直線算出該區(qū)間內(nèi)的斜率K，如下圖所示：

void Count_K(void) { K = (Y12 - Y06); K = K/(X12 - X06); }

我們還需要存儲校準(zhǔn)值，我們在一個(gè)數(shù)組中存了三個(gè)數(shù)據(jù)，第一個(gè)數(shù)據(jù)是判斷位（0xaa），判斷當(dāng)前是否存儲過校準(zhǔn)值。其中兩個(gè)是6V對應(yīng)的AD代碼值和12V對應(yīng)的AD代碼值。存儲之前需要擦除然后才能寫入數(shù)據(jù)。代碼如下所示：

void flash_calibration(void) { uint16_t dat[5]; dat[0]=0xaa; dat[1]=X06; dat[2]=X12; flash_erase(); flash_write(0,dat,5); }

我們除了寫入校準(zhǔn)值還要讀取校準(zhǔn)值，先讀取校準(zhǔn)值，判斷第一個(gè)數(shù)據(jù)是否為0xaa，如果不是0xaa，代表沒校準(zhǔn)過，需要賦一個(gè)初始化進(jìn)行存儲。例如

X06 = 6.0/23/1.5*4096;如果第一個(gè)值是0xaa，那就可以把存儲過的值賦給我們的變量就可以了，代碼如下所示。

void judge_calibration(void) { uint16_t dat[5]; flash_read(0,dat, 5); if(dat[0]!=0xaa) { X06 = 6.0/23/1.5*4096; X12 = 12.0/23/1.5*4096; flash_calibration(); } else { X06=dat[1]; X12=dat[2]; } }

我們可以通過按鍵對每一個(gè)區(qū)間的信號進(jìn)行校準(zhǔn)，比如說我們這次校準(zhǔn)的是6~12V區(qū)間內(nèi)的信號，初始化時(shí)可以通過按下一次按鍵對6V時(shí)候的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，再按一次按鍵就可以對12V時(shí)候的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，代碼如下所示：

void button_select_calibration(void) { if(GPIO_ReadPin(CW_GPIOB,GPIO_PIN_12) == GPIO_Pin_RESET)//按鍵按下 { mode++; if(mode >2) mode =0; while(GPIO_ReadPin(CW_GPIOB,GPIO_PIN_12) == GPIO_Pin_RESET); } if(mode == 0) { DisPlay_dianya(V_Buffer); } else if(mode == 1) { X06=Mean_Value_Filter(Volt_Buffer,ADC_SAMPLE_SIZE); flash_calibration(); Count_K(); Volt_Cal(); DisPlay_dianya(V_Buffer); } else if(mode == 2) { X12=Mean_Value_Filter(Volt_Buffer,ADC_SAMPLE_SIZE); flash_calibration(); Count_K(); Volt_Cal(); DisPlay_dianya(V_Buffer); } }

3.分段線性標(biāo)定分析和處理

在這個(gè)程序中，我們的思想是同時(shí)兩路AD采集，一個(gè)是測量電壓的，一個(gè)是測量電流的，同時(shí)讀取AD數(shù)據(jù)，進(jìn)而能對二者一起校準(zhǔn)。代碼如下所示：

void Get_ADC_Value(void) { static uint8_t cnt; ADC_GetSqr0Result(&Volt_Buffer[cnt]); ADC_GetSqr3Result(&Curr_Buffer[cnt]); cnt++; if(cnt >= ADC_SAMPLE_SIZE) { cnt = 0; } }

我們在電壓電流表上測量了大量的數(shù)據(jù)，如下圖所示：

在上面圖中可以看出實(shí)際的電壓值和測量的電壓值存在一定的偏差，我們將它們的偏差值做成一個(gè)折線圖給大家看看，如下圖所示。

常見標(biāo)定的原理是：使用AD值作為X軸，電壓（電流）值作為Y軸；在電壓（電流）為0的時(shí)候標(biāo)定為Xmin,在電壓（電流）為最大量程的時(shí)候標(biāo)定為Xmax，根據(jù)數(shù)學(xué)公式兩點(diǎn)確定一條直線，可以得到這條直線的斜率K。根據(jù)Y=kx公式我們可以通過輸出每一個(gè)AD值得到對應(yīng)的電壓（電流）值。

常見的標(biāo)定是在只有最小值和最大值之間做了標(biāo)定，如果這兩個(gè)值的范圍很大，使用中間的AD值也會出現(xiàn)誤差，所以我們就需要多做幾組標(biāo)定，使得數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，這樣就形成了分段線性標(biāo)定。效果圖如下所示。

如果我們求X3到X2之間的電壓值，可以根據(jù)公式：Y=k×（Xad-X2）+5得到準(zhǔn)確的電壓值，在這條折線上標(biāo)的點(diǎn)越多，測量得到的電壓值就越準(zhǔn)確。

4.標(biāo)定的結(jié)果

標(biāo)定之前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，誤差在0.08V左右，數(shù)據(jù)如下所示：

誤差的折線圖如下所示：

實(shí)物的測量圖顯示誤差在0.08左右，結(jié)果如下所示：

在6V標(biāo)定之后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示誤差在0.01V左右，數(shù)據(jù)如下所示：

標(biāo)定校準(zhǔn)后的誤差的折線圖如下所示，可以看出6V標(biāo)定后的誤差范圍在0V到0.03V之間的，所以證明了多處標(biāo)定，得到的測量值就越精確。

經(jīng)過標(biāo)定校準(zhǔn)后的電壓顯示沒有誤差，結(jié)果如下所示：

審核編輯 黃宇