基于SOC的高精度傾角測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：為解決自動(dòng)水平調(diào)節(jié)系統(tǒng)和工程應(yīng)用中傾角測(cè)量高成本、低精度的問(wèn)題，提出了一種利用MEMS雙軸傾角傳感器、信號(hào)調(diào)理和SOC等電路實(shí)現(xiàn)高精度傾角測(cè)量的方法，并從傳感器信號(hào)穩(wěn)定性處理、溫度補(bǔ)償、信號(hào)采集處理、基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)和信號(hào)曲線擬合方法等多角度實(shí)現(xiàn)了傾角的低成本、高精度測(cè)量。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，系統(tǒng)最大絕對(duì)誤差小于0.005°，相對(duì)誤差小于0.02%。

　　在地質(zhì)石油勘探、設(shè)備安裝、道路橋梁建設(shè)等工程應(yīng)用以及機(jī)器人控制、坦克和艦船火炮平臺(tái)控制、飛機(jī)姿態(tài)控制等系統(tǒng)的自動(dòng)水平調(diào)節(jié)中，都需要高精度的傾角測(cè)量。但高精度的傾角，測(cè)量設(shè)備通常體積較大，成本高，使許多工程應(yīng)用受到限制。本文從傾角的高精度測(cè)量出發(fā)，著重介紹了傾角傳感器輸出穩(wěn)定性處理、溫度補(bǔ)償、非線性處理(正弦曲線擬合)、信號(hào)調(diào)理及其測(cè)量電路的特殊處理等。

　　1 傾角測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　傾角測(cè)量系統(tǒng)硬件部分主要由MEMS傳感器(含雙軸傾角傳感器和溫度傳感器)、SOC電路、數(shù)據(jù)處理及傳輸和其他輔助電路等模塊組成。傾角測(cè)量系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

圖1 傾角測(cè)量系統(tǒng)的組成框圖

　　1．1 MEMS傾角傳感器接口

　　MEMS傾角傳感器采用芬蘭VTI Technologies公司的SCA100T系列中的SCA100T-D01，測(cè)量范圍為±30°。SCA100T系列是采用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制造的一款高分辨率雙軸傾角傳感器。SCA100T-D01數(shù)字輸出分辨率為0．035°／LSB，模擬輸出分辨率為0．002 5°。模擬輸出的分辨率大大高于數(shù)字輸出的分辨率，故本設(shè)計(jì)采用其模擬輸出。模擬輸出將涉及較為復(fù)雜的模擬信號(hào)處理，如果模擬信號(hào)處理不當(dāng)，系統(tǒng)的分辨率和精度將大打折扣，有時(shí)甚至還不如數(shù)字輸出。采用合理的模擬信號(hào)處理電路是保證系統(tǒng)精度的方法之一。

　　SCA100T-D01內(nèi)置溫度傳感器，可以通過(guò)其自帶的SPI數(shù)字接口讀取溫度值，并在處理器中進(jìn)行相應(yīng)的溫度補(bǔ)償。這是保證系統(tǒng)精度的又一方法。

　　1．2 阻抗匹配及放大

　　SCA100T-D01輸出阻抗為10 kΩ，為保證MEMS傾角傳感器SCA100T-D01輸出的信號(hào)有效地傳遞，即要求衰減最小，設(shè)計(jì)中采用了具有高輸入阻抗的場(chǎng)效應(yīng)管型運(yùn)放TL081設(shè)計(jì)了阻抗匹配電路，采用同相輸入，以提高輸入阻抗。

　　信號(hào)放大電路采用ICL7653斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器來(lái)完成，如圖2所示。ICL7653具有極低的失調(diào)電壓和偏置電流，具有較高的工作穩(wěn)定性和優(yōu)良的高精度放大功能。ICL7653斬波穩(wěn)零使用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，在CA、CB與CR端之間加上0．1 μF的低泄放、高穩(wěn)定性的聚酯或聚丙烯電容。同時(shí)在雙電源接入端進(jìn)行濾波和去耦處理。

圖2 信號(hào)放大電路

　　1．3 差分轉(zhuǎn)換及驅(qū)動(dòng)

　　如圖3所示，差分轉(zhuǎn)換電路以AD8138AR為核心，將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換差分信號(hào)，既可以提高共模抑制比，有效減小共模信號(hào)影響，又可以驅(qū)動(dòng)SOC內(nèi)部的24位差分Sigma-Delta模／數(shù)轉(zhuǎn)換器。AD8138AR具有較寬的模擬帶寬(320 MHz，-3 dB。增益為1時(shí))，而且AD8138AR為表面封裝器件，器件體積小，使得ADC與信號(hào)輸入點(diǎn)的距離可以很近，大大減少了外界噪聲的影響。

圖3 差分轉(zhuǎn)換電路

　　1．4 SOC微控制器資源分配

　　本設(shè)計(jì)選用Silicon Labs公司的C8051F350作為處理核心。C8051F350是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)(SOC)，它自帶8K字節(jié)Flash存儲(chǔ)器，可在系統(tǒng)編程；集成了1個(gè)全差分24位Siva-Delta模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，該ADC具有在片校準(zhǔn)功能，2個(gè)獨(dú)立的數(shù)字抽取濾波器可被編程到1 kHz的采樣率；具有2路UART和1路SPI接口。與其他類型的微控制器實(shí)現(xiàn)相同功能需要多個(gè)芯片的組合才能完成相比，C8051F350不僅減少了系統(tǒng)成本和系統(tǒng)體積，而且大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　設(shè)計(jì)中采用C8051F350的24位Sigma-Delta模／數(shù)轉(zhuǎn)換器作系統(tǒng)信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，SPI接口作MEMS傾角傳感器的溫度采集，以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的溫度補(bǔ)償，UART作串行LED顯示接口。為保證模／數(shù)轉(zhuǎn)換器工作穩(wěn)定，采用外部基準(zhǔn)源。

　　1．5 ADC基準(zhǔn)源及傳感器電源

　　MEMS傾角傳感器SCA100T在傾角為0°時(shí)，模擬輸出為其電源電壓的1／2倍，如果傾角傳感器電源電壓有波動(dòng)，則其輸出會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的波動(dòng)。因此設(shè)計(jì)時(shí)，將給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路提供基準(zhǔn)源的輸出(如圖4所示)，經(jīng)過(guò)提高驅(qū)動(dòng)能力后，提供給MEMS傾角傳感器SCA100T作電源(如圖5所示)。一方面，基準(zhǔn)源輸出紋波極小，且性能穩(wěn)定；另一方面，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)源和MEMS傾角傳感器SCA100T的電源同時(shí)向相同方向變化，抵消了MEMS傾角傳感器因電源引起零點(diǎn)漂移的影響。

圖4 基準(zhǔn)源電路

　　圖4中的基準(zhǔn)源LM236輸出的2．5 V電壓經(jīng)過(guò)軌對(duì)軌運(yùn)放OPA340組成的跟隨電路處理后，增大了驅(qū)動(dòng)能力，既作為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的基準(zhǔn)源，同時(shí)還為差分轉(zhuǎn)換電路提供中心電壓，以及MEMS傾角傳感器SCA100T的電源輸入。

　　圖5中的輸入為圖4中的參考電壓(VREF)輸出。以低漂移、高穩(wěn)定性運(yùn)放OPA340組成的運(yùn)放電路給傾角傳感器SCA100T提供電源，能保證電源紋波小，工作穩(wěn)定。

圖5 SCA100T電源電路

　　2 信號(hào)的數(shù)學(xué)處理

　　2．1 ADC精度控制

　　C8051F350內(nèi)部有具有2個(gè)獨(dú)立的抽取濾波器(SINC3濾波器和快速濾波器)和1個(gè)可編程增益放大器。根據(jù)參考文獻(xiàn)SINC3濾波器RMS噪聲小，精度高，缺點(diǎn)是輸出速率較低，而快速濾波器則相反。本設(shè)計(jì)對(duì)速率要求低，而對(duì)精度要求高，因此選用SINC3濾波器。SINC3濾波器典型RMS噪聲如表1所示。

表1 SINC3濾波器典型RMS噪聲

　　從表1可知，較高的抽取比需要較長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換周期，即輸出字速率較低，但具有較低噪聲。

　　根據(jù)參考文獻(xiàn)，采用SINC3濾波器時(shí)，該模／數(shù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)際分辨率為：

　　式中滿度輸入范圍為：

　　根據(jù)實(shí)際分辨率的公式(1)可知，當(dāng)抽取比為1 920，輸出字速率為10 Hz時(shí)，根據(jù)實(shí)際分辨率的公式(1)可得到實(shí)際分辨率約為20．00位。

　　SCA100T傳感器的靈敏度為70mV／(°)，分辨率為0.0025°，ADC參考電壓VREF為2.5V，則需要能檢測(cè)的最小信號(hào)為0.0025°x70mV／°= 0.175 mV，根據(jù)0．175 mV／2．5 V=1／14 286可知，ADC的位數(shù)至少應(yīng)為14位，即214=16 384>14 286，根據(jù)減額設(shè)計(jì)要求，取20位，所以本設(shè)計(jì)完全滿足設(shè)計(jì)要求。

　　2．2 溫度補(bǔ)償

　　根據(jù)參考文獻(xiàn)，SCA100T-D01的溫度誤差曲線如圖6所示。

圖6 SCA100T-D01的溫度誤差曲線

　　通過(guò)曲線擬合，其曲線方程為：

　　在信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集后，轉(zhuǎn)換為角度輸出時(shí)，根據(jù)實(shí)時(shí)采集的傾角傳感器SCA100T處的溫度值，就可以根據(jù)溫度補(bǔ)償曲線補(bǔ)償相應(yīng)的角度值，將溫度對(duì)傾角測(cè)量的影響降到最低。

　　2．3 曲線擬合

　　由于SCA100T系列傳感器輸出與傾斜角度存在非線性關(guān)系(非線性誤差在測(cè)量范圍內(nèi)為0.11°)，這樣不利于分析處理測(cè)量結(jié)果。因此必須采取相應(yīng)的線性化措施，以補(bǔ)償傳感器引入的非線性。傳統(tǒng)方法中多數(shù)采用硬件方法，實(shí)現(xiàn)方法比較復(fù)雜，且穩(wěn)定性和可靠性難以控制。

　　由于SCA100T系列傳感器的非線性特性是已知的，則可以利用相應(yīng)的校正函數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。由于微處理器具有很強(qiáng)的函數(shù)運(yùn)算與數(shù)據(jù)處理能力，用編程的方法可以很容易實(shí)現(xiàn)所需的校正函數(shù)。本設(shè)計(jì)采用SOC通過(guò)軟件編程的方法修正非線性。

　　在設(shè)計(jì)時(shí)，將SCA100T-D01傳感器的測(cè)量范圍進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分，如將傾角為3°的這段曲線劃分為2．5°～3．5°，并將擬合曲線修改為下式：

　　式中，XIN為模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出值經(jīng)內(nèi)部SINC3濾波器濾波后得到的采樣值，TER為SCA100T傳感器的實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償值，PI為圓周率。

　　上式既修正了傳感器輸出的非線性，又修正了溫度對(duì)傳感器的影響。

　　3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

　　該傾角測(cè)量系統(tǒng)在MC019-JJ2數(shù)字式2"光學(xué)分度頭標(biāo)準(zhǔn)儀器上進(jìn)行了分度和性能測(cè)試。MC019-JJ2數(shù)字式2"光學(xué)分度頭是一種對(duì)裝夾在其主軸上的工件進(jìn)行角度分度或進(jìn)行角度檢驗(yàn)的精密光學(xué)計(jì)量?jī)x器，其顯示當(dāng)量為1"。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)

　　從表2的測(cè)試數(shù)據(jù)可知，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的偏差有正有負(fù)，其主要原因在于這些測(cè)試點(diǎn)的曲線擬合是獨(dú)立的，互不影響。另外，在30°時(shí)絕對(duì)誤差最大，最大的絕對(duì)誤差為0．0044°，在1°時(shí)相對(duì)誤差最大，為0．001 8／1≈0．018％。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文采用MEMS傾角傳感器SCA100T的模擬接口為輸出，采用其數(shù)字接口實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，同時(shí)采用基準(zhǔn)源和運(yùn)放驅(qū)動(dòng)作為傳感器的電源，提高了傳感器輸出的精度和穩(wěn)定性；信號(hào)處理時(shí)，采用低漂移運(yùn)放處理電路和差分模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，有效提高了信號(hào)的信噪比和共模抑制比；采用正弦曲線擬合，有效改善了信號(hào)輸出的線性度。經(jīng)過(guò)以上多方面信號(hào)處理和優(yōu)化，在測(cè)量范圍內(nèi)系統(tǒng)最大絕對(duì)誤差為0．004 4°。并且系統(tǒng)集成度較高，體積小，成本低，可以滿足地質(zhì)石油勘探、設(shè)備安裝、道路橋梁建設(shè)等工程應(yīng)用以及機(jī)器人控制、*和艦船火炮平臺(tái)控制、飛機(jī)姿態(tài)控制等系統(tǒng)的自動(dòng)水平調(diào)節(jié)應(yīng)用。