一種高精度數(shù)字傾角測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

以往使用電子傾角器作為傳感器而設(shè)計(jì)的數(shù)字水平儀和電子傾角測量系統(tǒng)，沒有考慮環(huán)境溫度對測量精度的影響，故無法滿足某些高精度調(diào)平和傾斜角測量的需求。為了進(jìn)行寬工作溫度范圍的高精度測量，必須對電子傾角器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。這里介紹一種高精度的數(shù)字傾角測量系統(tǒng)，它利用jewell instruments公司的lcf-100型傾角器作為傾角傳感器，其輸出的模擬電壓與傾斜角正弦成比例。將該模擬電壓5進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，同時(shí)利用溫度傳感器實(shí)時(shí)采集傾角器周圍環(huán)境的溫度，也送入單片機(jī)，通過編制好的計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果通過串口中斷方式傳送到上位計(jì)算機(jī)。本文將詳細(xì)地闡述系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

高精度數(shù)字傾角測量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。單片機(jī)選用atmel公司的at89c52，利用其提供的軟件硬件資源，完成系統(tǒng)的控制以及采集數(shù)據(jù)的計(jì)算。系統(tǒng)的主要部分包括：電子傾角器、二階低通濾波器、a/d轉(zhuǎn)換器ads1210、at89c52、溫度傳感器ds1624、電源以及向上位計(jì)算機(jī)傳送數(shù)據(jù)的通訊接口電路等。

電子傾角器選用jewell instruments公司生產(chǎn)的lcf-100型電子傾角器，它屬于力平衡式伺服系統(tǒng)電子傾角器，測量范圍為-1°～+1°，其輸出為模擬電壓，與傾斜角度的正弦成正比。該傾角器具有分辨率高、響應(yīng)速度快、線性度好等特點(diǎn)。由于電子傾角器輸出的模擬電壓含有高次諧波，因此通過二價(jià)低通濾波器濾除輸出信號的高頻分量。

a/d轉(zhuǎn)換器將電子傾角器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，其分辨率的高低將直接影響系統(tǒng)的測量精度。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)采用burr-brown公司ads1210作為電子傾角器的a/d轉(zhuǎn)換器，它是一個(gè)24位分辨率、寬動(dòng)態(tài)范圍、單5v電源供電、帶自校正功能的∑-δ高精度a/d轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部由可編程增益放大器、二階∑-δ調(diào)制器、調(diào)制器控制單元、三階數(shù)字濾波器、微控制器、寄存器組、基準(zhǔn)參考源和時(shí)鐘電路等組成[2]。ads1210將轉(zhuǎn)換的數(shù)字量通過i2c總線傳送到單片機(jī)。

溫度傳感器選用dallas semiconductor公司的ds1624數(shù)字溫度測量計(jì)，它具有測量精度高、測量溫度范圍寬，易與單片機(jī)接口等特點(diǎn)，其內(nèi)部還帶有256字節(jié)的e2prom，用于存儲(chǔ)測量系統(tǒng)的修正參數(shù)[3]。溫度傳感器實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的環(huán)境溫度，將采集的溫度值通過i2c總線送入單片機(jī)。

1.2 ads1210和ds1624與at89c52的接口電路

ads1210和ds1624與at89c52的接口電路如圖2所示。傳感器的輸出接到ads1210的ainp和ainn輸入端。在這里，ads1210和at89c52采用的是三線連接，drdy、sdio、sclk分別與p12、p13、p14相連接，其中sdio用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出，cs直接接地，mode接地表示從機(jī)方式。由于在本系統(tǒng)中只用了一塊ads1210，故可將dsync與dvdd直接相連。

利用at89c52的p1口的p10和p11分別與ds1624的引腳scl和sda相連構(gòu)成i2c總線。i2c總線是一種串行數(shù)據(jù)總線，只用兩根信號線，一根是雙向數(shù)據(jù)線sda,另一根是時(shí)鐘線scl。在i2c總線上傳送的一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)由八位組成，總線對每次傳送的字節(jié)數(shù)沒有限制，但是每個(gè)字節(jié)后必須跟一個(gè)應(yīng)答位（ack），數(shù)據(jù)傳送首先傳最高位（msb）。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件采用匯編語言編程，由主程序、計(jì)算子程序、ads1210讀寫子程序、ds1624讀寫子程序和串口中斷服務(wù)子程序等組成。傾角器溫度補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)參數(shù)存放在ds1624的e2rom中，必要時(shí)上位計(jì)算機(jī)通過控制命令對其進(jìn)行修正。中斷服務(wù)程序隨時(shí)接收上位計(jì)算機(jī)的控制命令，進(jìn)行系統(tǒng)自檢、參數(shù)修正、數(shù)據(jù)輸出等。

2.1主程序

主程序完成初始化后，實(shí)時(shí)采集環(huán)境溫度和電子傾角器數(shù)據(jù)，并進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算。為了保證采集傾角器數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，采集一次環(huán)境溫度數(shù)據(jù)后，連續(xù)采集10次傾角器數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，然后再采集一次環(huán)境溫度如此，如此循環(huán)往復(fù)。

主程序的流程如圖3所示。

2.2 計(jì)算子程序

電子傾角器輸出的模擬電壓v與傾斜角度θ的正弦近似成線性關(guān)系，即：

v=v0+k0×sinθ （1）

其中，k0是電子傾角器的轉(zhuǎn)換比例因子。因傾角器的測量范圍為±1。，可以用弧度值替代角度的正弦值，其計(jì)算誤差為：

該誤差可以忽略不計(jì)，則公式（1）簡化為：

v=v0+k0×θ

從公式（2）可以看出，傾斜角度θ是隨環(huán)境溫度線性變化的函數(shù)，而線性傳感器的溫度補(bǔ)償是對零位和靈敏度的補(bǔ)償，所以經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)膬A角器輸出為：

v=v0+k×δt+k0(1+k1×δt) ×θ

式中，k為零位溫度系數(shù)，k1為比例因子溫度系數(shù)。

用ad表示a/d轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)；k_ad表示a/d轉(zhuǎn)換器的輸出斜率，單位：1/v；b0表示基準(zhǔn)零偏電壓，單位：v；b_temp表示零點(diǎn)偏差系數(shù)，單位：v/℃；δt表示溫度變化量，單位：℃；s.f._temp表示比例因子溫度系數(shù)；title表示修正后的傾角，單位："。則（3）式變?yōu)椋?/p>

兩邊同時(shí)乘以k_ad,則(4)式變?yōu)椋?/p>

由（9）式可以計(jì)算出溫度補(bǔ)償后的修正傾角。

計(jì)算子程序的流程如圖4所示。

2.3 ads1210的編程

對ads1210編程，首先對其進(jìn)行初始化，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，確定相關(guān)的參數(shù)，如增益pga、加速因子tmr、數(shù)據(jù)輸出率dr（抽取率）等。在初始化子程序中，將這些相關(guān)的參數(shù)寫入cmr。啟動(dòng)ads1210的轉(zhuǎn)換，然后調(diào)用讀dor寄存器子程序，將轉(zhuǎn)換的結(jié)果讀到單片機(jī)中。ads1210的初始化流程和讀dor寄存器流程如圖5所示。

2.4 ds1624的編程

由于將ds1624的引腳scl和sda與at89c52的p10和p11相連構(gòu)成i2c總線，對ds1624的讀寫操作都要遵循i2c總線協(xié)議。利用單片機(jī)可以仿真i2c總線的讀/寫時(shí)序。i2c總線的控制主要包括以下五部分：開始、讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)、應(yīng)答、停止。

ds1624的編程包括以下幾個(gè)子程序：初始化子程序、啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換子程序、讀取溫度值子程序。在初始化子程序中，向配置/狀態(tài)寄存器寫一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)用以將ds1624的工作方式設(shè)為連續(xù)轉(zhuǎn)換方式。

ds1624的初始化子程序、讀取溫度值和啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換子程序流程圖如圖6所示。

2.5 串口中斷服務(wù)程序

如果更換電子傾角器，那么其相應(yīng)的參數(shù)，如固定零偏差、零偏的溫度系數(shù)、比例因子、比例因子溫度系數(shù)等都會(huì)發(fā)生變化。為了提高系統(tǒng)的通用性，將這些參數(shù)通過串口中斷的方式進(jìn)行修改。單片機(jī)計(jì)算得到的結(jié)果即修正角度也是通過串口中斷的方式輸出的。本系統(tǒng)的串口中斷服務(wù)程序包括以下幾個(gè)命令：寫零偏差、寫零偏溫度系數(shù)、寫傾角器轉(zhuǎn)換比例因子、寫比例因子溫偏差、寫ads1210的轉(zhuǎn)換比例、寫ads1210的轉(zhuǎn)換速率、寫角度校準(zhǔn)值、初始化e2rom中的數(shù)據(jù)、讀溫度值、讀計(jì)算后修正角度值、檢查寫進(jìn)數(shù)據(jù)的正確性、檢查芯片是否工作正常等。串口中斷服務(wù)的流程圖如圖7所示。

本文介紹的高精度數(shù)字傾角測量系統(tǒng)已經(jīng)在工程中得到實(shí)現(xiàn)，并通過t3經(jīng)緯儀驗(yàn)證了它的測量精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在-10℃～+50℃的溫度范圍內(nèi)，其精度達(dá)到3”，能滿足寬工作溫度范圍高精度測量系統(tǒng)的需要。更寬溫度范圍內(nèi)的精度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行中。該系統(tǒng)已經(jīng)在某項(xiàng)目的水平傾斜角測量中得到應(yīng)用，運(yùn)行穩(wěn)定、性能可靠。