基于SOC的高精度傾角測量系統(tǒng)的設(shè)計

余小平，庹先國，2，王洪輝

（1.成都理工大學四川成都610059；2.地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室四川成都610059）

圖1 系統(tǒng)硬件組成框圖Fig.1 Block diagram of system hardware composition

1 傾角測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計

傾角測量系統(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。傾角測量系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

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，測量范圍為±30°。SCA100T系列是采用微機電系統(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°[1]。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)計采用其模擬輸出。模擬輸出將涉及較為復雜的模擬信號處理，如果模擬信號處理不當，系統(tǒng)的分辨率和精度將大打折扣，有時甚至還不如數(shù)字輸出。采用合理的模擬信號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，可以通過其自帶的SPI數(shù)字接口讀取溫度值，并在處理器中進行相應(yīng)的溫度補償。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[1]，為保證MEMS傾角傳感器SCA100T-D01輸出的信號有效地傳遞，即要求衰減最小，設(shè)計中采用了具有高輸入阻抗的場效應(yīng)管型運放TL081設(shè)計了阻抗匹配電路，采用同相輸入，以提高輸入阻抗。

信號放大電路采用ICL7653斬波穩(wěn)零運算放大器來完成，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[4]。ICL7653斬波穩(wěn)零使用內(nèi)部時鐘時，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。同時在雙電源接入端進行濾波和去耦處理。

1.3 差分轉(zhuǎn)換及驅(qū)動

如圖3所示，差分轉(zhuǎn)換電路以AD8138AR為核心，將單端信號轉(zhuǎn)換差分信號，既可以提高共模抑制比，有效減小共模信號影響，又可以驅(qū)動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）[5]，而且AD8138AR為表面封裝器件，器件體積小，使得ADC與信號輸入點的距離可以很近，大大減少了外界噪聲的影響。

圖3 差分轉(zhuǎn)換電路Fig.3 Differential conversion circuit

1.4 SOC 微控制器資源分配

本設(shè)計選用Silicon Labs公司的C8051F350作為處理核心。C8051F350是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)（SOC），它自帶8 K字節(jié)Flash存儲器，可在系統(tǒng)編程；集成了1個全差分24位Sigma-Delta模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），該ADC具有在片校準功能，2個獨立的數(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[2]。與其他類型的微控制器實現(xiàn)相同功能需要多個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。

目前，多數(shù)鐵路工程項目在建設(shè)期間都加強了對連續(xù)梁橋施工的重視[1]。本文在研究中，主要以某地區(qū)鐵路工程為主，分析該工程中連續(xù)橋梁施工的難點及控制方法。該鐵路橋梁連續(xù)梁全長284m，主梁為單箱單室箱梁，箱室斷面底板厚度可以增加至1.2m，箱底外部寬度為5.8m。該橋為雙線橋，線間距為4.5m，設(shè)計時速為160km/h。通過對該鐵路工程相關(guān)信息的掌握，對連續(xù)梁橋的施工方案進行了綜合設(shè)計，并分析其在施工中的難點和具體的施工控制情況。

設(shè)計中采用C8051F350的24位Sigma-Delta模/數(shù)轉(zhuǎn)換器作系統(tǒng)信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，SPI接口作MEMS傾角傳感器的溫度采集，以實現(xiàn)對傳感器的溫度補償，UART作串行LCD顯示接口。為保證模/數(shù)轉(zhuǎn)換器工作穩(wěn)定，采用外部基準源。

1.5 ADC基準源及傳感器電源

MEMS傾角傳感器SCA100T在傾角為0°時，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，則其輸出會產(chǎn)生相應(yīng)的波動。因此設(shè)計時，將給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路提供基準源的輸出（如圖4所示），經(jīng)過提高驅(qū)動能力后，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)換器的基準源和MEMS傾角傳感器SCA100T的電源同時向相同方向變化，抵消了MEMS傾角傳感器因電源引起零點漂移的影響。

圖4中的基準源LM236輸出的2.5 V電壓經(jīng)過軌對軌運放OPA340組成的跟隨電路處理后，增大了驅(qū)動能力，既作為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的基準源，同時還為差分轉(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4 基準源電路Fig.4 Voltage reference circuit

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)定性運放OPA340組成的運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Fig.5 Power circuit of SCA100T

2 信號的數(shù)學處理

2.1 ADC精度控制

C8051F350內(nèi)部有具有2個獨立的抽取濾波器（SINC3濾波器和快速濾波器）和1個可編程增益放大器。根據(jù)參考文獻[2]，SINC3濾波器RMS噪聲小，精度高，缺點是輸出速率較低，而快速濾波器則相反。本設(shè)計對速率要求低，而對精度要求高，因此選用SINC3濾波器。SINC3濾波器典型RMS噪聲如表1所示[2]。

表1 SINC3濾波器典型RMS噪聲Tab.1 SINC3 filter’s typical RMS noise

從表1可知，較高的抽取比需要較長的轉(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[2]，采用SINC3濾波器時，該模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的實際分辨率為：

式中滿度輸入范圍為：

根據(jù)實際分辨率的公式（1）可知，當抽取比為1 920，輸出字速率為10 Hz時，根據(jù)實際分辨率的公式（1）可得到實際分辨率約為20.00位。

SCA100T傳感器的靈敏度為70 mV/（°），分辨率為0.0025°，ADC參考電壓VREF為2.5 V，則需要能檢測的最小信號為0.002 5°×70 mV/°=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)計要求，取20位，所以本設(shè)計完全滿足設(shè)計要求。

2.2 溫度補償

根據(jù)參考文獻[1]，SCA100T-D01的溫度誤差曲線如圖6所示。

圖6 SCA100T溫度誤差補償曲線Fig.6 Temperature error compensation curve of SCA100T

通過曲線擬合，其曲線方程[1]為：

在信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集后，轉(zhuǎn)換為角度輸出時，根據(jù)實時采集的傾角傳感器SCA100T處的溫度值，就可以根據(jù)溫度補償曲線補償相應(yīng)的角度值，將溫度對傾角測量的影響降到最低。

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（非線性誤差在測量范圍內(nèi)為0.11°[1]），這樣不利于分析處理測量結(jié)果。因此必須采取相應(yīng)的線性化措施，以補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，實現(xiàn)方法比較復雜，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)進行補償。由于微處理器具有很強的函數(shù)運算與數(shù)據(jù)處理能力，用編程的方法可以很容易實現(xiàn)所需的校正函數(shù)。本設(shè)計采用SOC通過軟件編程的方法修正非線性。

在設(shè)計時，將SCA100T-D01傳感器的測量范圍進行進一步細分，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傳感器的實時溫度補償值，PI為圓周率。

上式既修正了傳感器輸出的非線性，又修正了溫度對傳感器的影響。

3 實測數(shù)據(jù)

該傾角測量系統(tǒng)在MC019-JJ2數(shù)字式2″光學分度頭標準儀器上進行了分度和性能測試。MC019-JJ2數(shù)字式2″光學分度頭是一種對裝夾在其主軸上的工件進行角度分度或進行角度檢驗的精密光學計量儀器，其顯示當量為1″。測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)Tab.2 System test data

從表2的測試數(shù)據(jù)可知，每個測試點的偏差有正有負，其主要原因在于這些測試點的曲線擬合是獨立的，互不影響。另外，在30°時絕對誤差最大，最大的絕對誤差為0.004 4°，在1°時相對誤差最大，為0.001 8/1≈0.018%。

4 結(jié)束語

本文采用MEMS傾角傳感器SCA100T的模擬接口為輸出，采用其數(shù)字接口實現(xiàn)溫度補償，同時采用基準源和運放驅(qū)動作為傳感器的電源，提高了傳感器輸出的精度和穩(wěn)定性；信號處理時，采用低漂移運放處理電路和差分模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，有效提高了信號的信噪比和共模抑制比；采用正弦曲線擬合，有效改善了信號輸出的線性度。經(jīng)過以上多方面信號處理和優(yōu)化，在測量范圍內(nèi)系統(tǒng)最大絕對誤差為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)用以及機器人控制、坦克和艦船火炮平臺控制、飛機姿態(tài)控制等系統(tǒng)的自動水平調(diào)節(jié)應(yīng)用。

[1]VTI Technologies.SCA100T Datasheeet[EB/OL].（2006-09）[2010-01-20].http://www.vti.fi/midcom-serveattachment guid-e31e08e6363111ddb28cb92c1134ec8fec8f/sca100t_inclinom eter_datasheet_8261800a.pdf

[2]Silicon Laboratories Inc.C8051F35x Datasheeet[EB/OL].（2007-05）[2010-01-20].http://www.silabs.com/Support Documents/TechnicalDocs/C8051F35x.pdf.

[3]薛琴.雙軸傾角傳感器在鉆孔測斜儀中測量算法的校正[J].煤田地質(zhì)與勘探,2007,53（6）:70-73.XUE Qin.Measurement algorithmic adjustment of 2-axis inclinometer in borehole inclinometer[J].Coal Geology&Exploration,2007，53（6）:70-73.

[4]Maxim Integrated Products.ICL7650/ICL7650B/ICL7653/ICL7653B Datasheet[EB/OL].（2000-01）[2010-01-20].http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/ICL7650-ICL7650B.pdf.

[5]Analog Devices,Inc.AD8138AR Datasheet[EB/OL].（2006-01）[2010-01-20].http://www.analog.com/static/importedfiles/data_sheets/AD8138.pdf.

[6]唐原廣,趙曙東.基于單片機的傾角測量系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機信息,2007,23（3-2）:95-97.TANGYuan-guang,ZHAOShu-dong.Thedesignof inclination measurement system basedonAT89S52[J].Microcomputer Information,2007,23（3-2）:95-97.