ZZZ-24-满量程校准

本篇继 [[ZZZ-23-零点校准]]，演示的案例中【硬件】和【单片机配置】大体相同

如果说“零点校准”是修正坐标轴的起点，那么“满量程校准”就是修正坐标轴的斜率。

1. 为什么要进行满量程校准？

即使你把零点对齐了（4mA 对应 0），传感器在测量高浓度或高压力时，依然可能产生偏差。

  • 原因：传感器内部的放大电路增益可能随温度变化，或者传感器探头灵敏度衰减。
  • 结果：原本 $20mA$ 应该代表 $1.6,MPa$，结果传感器只输出了 $19.5mA$。
  • 校准逻辑：我们需要给传感器一个“标准参考值”（如标准气体或已知压力），告诉单片机：“这就是满量程，请记住现在的斜率。”。

2. 数学模型：从 $y=x-b$ 到 $y=k(x-b)$

我们之前的压力计算公式可以抽象为：$$Pressure = k \cdot (V_{measured} - V_{zero})$$

  • $V_{zero}$：零点电压（通过零点校准获得）。
  • $k$ (斜率)：这是满量程校准要修正的对象。

满量程校准的推导：当你施加一个标准满量程压力（如 $1.6,MPa$）时，记下当前的电压 $V_{full_measured}$。 那么新的斜率 $k$ 应该是：$$k = \frac{P_{nominal}}{V_{full_measured} - V_{zero}}$$ 其中 $P_{nominal}$ 是标准值的额定压力（如 1.6Mpa）

3. 代码实现方案

我们需要再增加一个按键逻辑（例如按键接到 PB1）来触发“满量程校准”。

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/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <stdio.h>
#include <string.h>
/* USER CODE END Includes */

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/* USER CODE BEGIN PV */
#define SAMPLES 10  					// 每个通道采样 10 次
#define CHANNELS 2 						// 共 2 个通道
uint16_t adc_buffer[SAMPLES * CHANNELS]; // 长度为 20 的数组
// --- 核心标定参数 ---
const float P_NOMINAL = 1.6f;             // 满量程标定时的标准压力值 (MPa)
const float R_SAMPLE = 150.0f;            // 采样电阻 150 欧
const float alpha = 0.15f;                // 一阶滞后滤波系数

// --- 标定状态变量 ---
float zero_offset_volt = 0.60f;           // 默认零点电压 (4mA 对应 0.6V)
float slope_k = 1.6f / (3.0f - 0.60f);    // 默认斜率
float filter_volt_A = 0.60f;              // 滤波后的电压变量
uint8_t calibration_flag = 0;             // 标定标志位
/* USER CODE END PV */

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  /* USER CODE BEGIN 2 */
  // 为了精准，建议先进行 ADC 校准（F1系列特有）
  HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1);

  // 核心命令：启动 ADC + DMA
  // 参数：ADC句柄，存储的目标地址，要搬运的数据个数
  HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_buffer, SAMPLES * CHANNELS);
  /* USER CODE END 2 */

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  while (1)
  {
      // --- 1. 信号采集与双重滤波 ---
      uint32_t sum_A = 0;
      for(int i = 0; i < SAMPLES; i++) {
          sum_A += adc_buffer[i * CHANNELS];
      }
      
      // 原始电压计算 (基于 3.3V 理论值，若需更准可换回 VREFINT 公式)
      float raw_volt_A = (float)sum_A / SAMPLES * 3.3f / 4095.0f;
      
      // 一阶滞后滤波
      filter_volt_A = alpha * raw_volt_A + (1.0f - alpha) * filter_volt_A;
      float volt = filter_volt_A;

      // --- 2. 零点校准逻辑 (PB0) ---
      if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET)
      {
          HAL_Delay(20); // 初步去抖
          if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET)
          {
              zero_offset_volt = volt; // 记录当前电压为新零点
              
              // 亮灯反馈
              HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);
              HAL_Delay(500);
              HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);
              
              while(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET); // 等待松开
          }
      }

      // --- 3. 满量程校准逻辑 (PB1) ---
      if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_RESET)
      {
          HAL_Delay(20);
          if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_RESET)
          {
              // 核心逻辑：斜率 k = 标准压力 / (当前满量程电压 - 零点电压)
              float v_diff = volt - zero_offset_volt;
              
              if (v_diff > 0.1f) // 安全检查：确保满位电压确实大于零点电压
              {
                  slope_k = P_NOMINAL / v_diff;
                  
                  // 成功后快闪两次灯
                  for(int i=0; i<4; i++) {
                      HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
                      HAL_Delay(100);
                  }
              }
              while(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_RESET);
          }
      }

      // --- 4. 最终工业参数换算 ---
      // 计算电流 (mA)
      float current_mA = (volt / R_SAMPLE) * 1000.0f;
      
      // 计算校准后的压力
      float calibrated_pressure = (volt - zero_offset_volt) * slope_k;
      
      // 负数截断保护
      if (calibrated_pressure < 0.0f) calibrated_pressure = 0.0f;

      // --- 5. VOFA+ 数据输出 ---
      // 通道说明：1.电流(mA), 2.校准后压力(MPa), 3.零点偏置电压(V), 4.当前斜率k
      printf("%.2f,%.3f,%.3f,%.4f\n", 
              current_mA, 
              calibrated_pressure, 
              zero_offset_volt, 
              slope_k);

      HAL_Delay(100); // 10Hz 刷新率，适合观察
  }

4、校准实验

校准零点前

校准零点后
校准满量程后

1. 零点漂移被“零点偏置电压”吸收

  • 物理现象：传感器在没有压力时，输出原本应该是 $0.6V$，但因为环境温度或老化变成了 $0.65V$。这多出来的 $0.05V$ 就是“零点漂移”。
  • 数学处理：你通过校准，把变量 zero_offset_volt 从 $0.6$ 改成了 $0.65$。
  • 理解：在公式 $(volt - zero_offset_volt)$ 中，那个多出来的 $0.05V$ 确实被 zero_offset_volt 抵消（吸收）掉了。坐标轴的起点被你平移到了现在真实的位置上。

2. 量程漂移被“斜率”吸收

  • 物理现象：传感器现在的“力气”变小了。以前增加 $2.4V$ 代表增加 $1.6,MPa$，现在增加 $2.4V$ 只能代表增加 $1.5,MPa$ 了。
  • 数学处理：你通过满量程校准，重新计算了 slope_k。
  • 理解：新的 slope_k 变大了，它通过补偿增益的方式，“吸收”了传感器灵敏度的下降。它把斜斜的曲线重新拉回到了正确的高度。

换句话说，在工业仪表中，我们把传感器的所有“不完美”都归结为两个参数：

  • 截距 (Intercept)：由 zero_offset_volt 承载，解决“从哪开始”的问题。
  • 增益 (Gain/Slope)：由 slope_k 承载，解决“走多快”的问题。

满量程校准中的安全检查 

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// --- 3. 满量程校准逻辑 (PB1) ---
if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_RESET)
{
   HAL_Delay(20);
   if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_RESET)
   {
	// 核心逻辑：斜率 k = 标准压力 / (当前满量程电压 - 零点电压)
	float v_diff = volt - zero_offset_volt;
	
	if (v_diff > 0.1f) // 安全检查：确保满位电压确实大于零点电压
	{
	    slope_k = P_NOMINAL / v_diff;
	    
	    // 成功后快闪两次灯
	    for(int i=0; i<4; i++) {
		 HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
		 HAL_Delay(100);
	    }
	}
	while(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_RESET);
   }
}

这里重点关注：if (v_diff > 0.1f) ，为什么要这么写：

预防“数学炸弹”：防止除以零

在满量程标定中，斜率的计算公式是：$$k = \frac{P_{NOMINAL}}{V_{full} - V_{zero}}$$

  • 风险：如果 $V_{full}$ 等于 $V_{zero}$（即 v_diff 为 0），程序在执行除法时会触发硬件异常或者得到一个无穷大（Inf）。
  • 后果：这会导致你的 calibrated_pressure 变成乱码，甚至导致单片机程序卡死或复位。
  • 保护：0.1f 作为一个门槛，确保了分母永远是一个有意义的正数。

操作防错：防止“误触发”标定

在 CEMS（烟气在线监测系统）的现场维护中，操作员可能会忙中出错：

  • 误触：操作员本想按零点标定，却按成了满量程标定。此时传感器还没有通入标准压力或标气。
  • 逻辑：此时 $V_{full}$ 几乎等于 $V_{zero}$。如果没有这个检查，单片机就会把微小的噪声（比如 $0.001V$ 的波动）当成整个量程的跨度。
  • 结果：你会得到一个超级巨大的斜率 $k$。标定完后，哪怕空气稍微波动一下，显示屏上的压力数值都会疯狂飙升。
  • 保护：通过检查，如果差值不到 $0.1V$，程序就会认为“这次标定不合法”，从而拒绝更新 slope_k。

为什么是 0.1f 这个值？

这个值不是绝对的，它是根据你的硬件环境估算的：

  • 0.1V 对应 12 位 ADC 约 124 个数值（$4095 \times \frac{0.1}{3.3}$）。
  • 对于你的传感器（$0.6V \sim 3.0V$），总跨度是 $2.4V$。$0.1V$ 约占满量程跨度的 4%。
  • 建议：如果你在更复杂的工业现场发现干扰很大，可以将这个值调高到 0.2f 或 0.3f。

关于零点偏置电压和斜率

如果零点偏置电压和斜率，被校准得偏离初始值非常大，会出现什么现象

在 CEMS（烟气在线监测系统）的运维中，如果校准参数（零点和斜率）偏离初始值过大，通常意味着系统正在失去“测量能力”。这种现象在工业上被称为“量程压缩”或“分辨率退化”。我们可以把这种情况形象地比喻成“老花镜”失效了。

1. 如果“零点偏置电压”偏离过大

假设原本零点是 $0.6V$，现在被校准到了 $2.0V$。

  • 现象 A：有效量程变窄（Range Compression）
    • STM32 的 ADC 最高只能测到 $3.3V$。如果零点占用了 $2.0V$，那么留给实际信号的范围就只剩下 $3.3V - 2.0V = 1.3V$。原本你可以用 $2.4V$ 的跨度来表现 $1.6,MPa$，现在只能用一半的电压范围来表现，测量精度直接减半。
  • 现象 B：提前出现“削顶”
    • 当压力还没达到满量程时，ADC 已经读到了 $4095$（满位）。在 VOFA+ 上你会看到压力曲线在还没到顶时就变成了一条平平的直线，数据丢了。

2. 如果“斜率 $k$”偏离过大

斜率 $k$ 本质上是一个“放大倍数”。

  • 情况一：$k$ 变得特别大（高增益）
    • 现象：系统变得极其敏感且神经质。哪怕 ADC 只有 1 个数值的微小跳动，乘以巨大的 $k$ 之后，显示的压力值都会在 VOFA+ 上剧烈抖动。
    • 本质：你正在放大噪声。这种情况通常说明传感器已经“衰减”得很厉害了，给出的信号极其微弱，你不得不拼命放大它。
  • 情况二：$k$ 变得特别小（低增益）
    • 现象：系统变得迟钝。无论你如何调节电位器，压力数值几乎不动，或者变化非常缓慢。
    • 本质：这通常发生在误操作标定时，或者传感器发生了“短路”性质的故障。

CEMS 工业实战中的判定逻辑

在专业的 CEMS 仪表中，我们不会任由参数无限偏离。我们会设置“标定限值（Calibration Limits）”**：

工业逻辑示例：

  • 如果 zero_offset_volt 偏离初始值超过 $\pm 20%$。
  • 或者 slope_k 偏离初始值超过 $\pm 30%$。
  • 结果：单片机直接报错 “Calibration Error”，并拒绝更新参数。

为什么要这样做？因为参数偏离这么大，说明不是简单的漂移，而是硬件出问题了：

  1. 传感器探头脏了（需要清洗）。
  2. 气路漏气了（标气没通进去）。
  3. 传感器彻底老化（需要更换）。

你的代码可以增加的“高级感”

你可以给你的代码加一个小小的“安全锁”，防止校准出荒唐的数据：

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if (v_diff > 0.5f && v_diff < 2.8f) { // 检查有效跨度是否在合理范围内
    slope_k = P_NOMINAL / v_diff;
} else {
    // 报错：量程偏差过大，维持旧斜率不变
    printf("Calibration Failed: Sensor Out of Range!\n");
}

校零函数和满量程校准函数

1. 校零函数 (Zero Calibration)

核心逻辑：截距修正 (Offset Correction)

在传感器没有任何压力（或通入零点标准气）时，记录当前的输出。

  • 核心公式：$$V_{zero} = V_{current_filtered}$$
  • 代码动作：
    1. 确保系统处于“零状态”（如通入纯氮气）。
    2. 读取经过滤波后的稳定电压值。
    3. 将该值覆盖保存到 zero_offset_volt 变量中。
  • 物理意义：告诉单片机：“不管电路漂移到了多少伏，从这一刻起，这个电压就代表 0 MPa。”

2. 满量程校准函数 (Span Calibration)

核心逻辑：增益/斜率修正 (Gain/Slope Correction)

在传感器承受标准满量程压力（如 1.6MPa）时，调整输出的放大倍数。

  • 核心公式：$$Slope_K = \frac{P_{nominal}}{V_{full} - V_{zero}}$$ (其中 $P_{nominal}$ 是你预设的标准值，如 1.6)

  • 代码动作：

    1. 确保系统处于“满量程状态”（如通入 1.6MPa 压力）。
    2. 计算当前的有效压差：v_diff = V_current - V_zero。
    3. 安全检查：判断 v_diff 是否足够大（防止除以 0 或误操作）。
    4. 计算并更新斜率 slope_k。

  • 物理意义：告诉单片机：“现在压力是 1.6，电压差是这么大，请计算出每一伏电压代表多少 MPa。”

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