基于MS5534B氣壓傳感器的高度測(cè)量

李槐生

摘 要：近年來(lái)，無(wú)人機(jī)以其成本低、安全性高、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，成為了各國(guó)研究的熱點(diǎn)之一。而無(wú)人機(jī)如此多優(yōu)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)皆依賴于對(duì)其飛行的精確控制。要想實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的精確控制，就要利用各種傳感器實(shí)時(shí)精確監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)的各種狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；氣壓傳感器；實(shí)時(shí)監(jiān)控；無(wú)線模塊

中圖分類號(hào)：TH761.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.017

本文主要使用安裝在無(wú)人機(jī)上的MS5534B氣壓傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)所處海拔的氣壓，通過(guò)M0計(jì)算該傳感器測(cè)得的氣壓數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換成基本的高度數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線模塊傳送到上位機(jī)。上位機(jī)在LabVIEW上編程，進(jìn)一步處理下位機(jī)發(fā)送的高度數(shù)據(jù)，并采取語(yǔ)音播報(bào)的形式實(shí)時(shí)通知控制人員。

本文所用的MS5534B氣壓傳感器是一款壓阻式壓力傳感器和ADC接口的集成電路。該傳感器測(cè)量氣壓精度比較高，價(jià)格便宜，性價(jià)也比較高。其主要原器件有高度傳感器、單片機(jī)LPC1114、FT52 STD無(wú)線模塊、TTL轉(zhuǎn)USB模塊等。

1 硬件系統(tǒng)構(gòu)成

硬件系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方案如下。

1.1 發(fā)送模塊

發(fā)送模塊的組成設(shè)計(jì)如圖1所示。

在LPC1114控制MS5534B的過(guò)程中，LPC1114需要給MS5534B的MCLK提供1路32.768 K的PWM方波，并通過(guò)SPI總線讀出MS5534B的溫度和氣壓數(shù)據(jù)。讀出的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)LPC1114的處理，算出發(fā)送模塊此刻的海拔高度，并通過(guò)FT52 STD無(wú)線發(fā)送模塊發(fā)送給接收模塊。

1.2 接收模塊

接收模塊的組成設(shè)計(jì)如圖2所示。

由圖2可知，接收模塊負(fù)責(zé)接收發(fā)送模塊的信號(hào)，經(jīng)TTL轉(zhuǎn)USB模塊發(fā)送給PC機(jī)，再在PC機(jī)中做下一步處理。

2 MS5534B溫度和壓力的測(cè)量

2.1 出場(chǎng)校準(zhǔn)

每個(gè)模塊都要經(jīng)過(guò)單獨(dú)的溫度和壓力校準(zhǔn)，64位PROM中的6個(gè)系數(shù)要補(bǔ)償工藝變化和溫度變化造成的影響。這64位必須由微控制器讀取，然后供軟件使用。

2.2 溫度值和壓力值的計(jì)算

通過(guò)串行口SPI讀取Word1-Word4，使用位邏輯和移位操作算出校準(zhǔn)系數(shù)C1-C6；循環(huán)讀取未經(jīng)補(bǔ)償?shù)膲毫χ礑1和溫度值D2，通過(guò)如圖3的流程算出真實(shí)的壓力和溫度。

所有的計(jì)算都使用有符16位變量，乘法結(jié)果可能多達(dá)32位長(zhǎng)（有符），所以，在每次乘法計(jì)算后跟除法運(yùn)算。除法中的除數(shù)都是2的冪次方，這樣可以保證計(jì)算結(jié)果小于65 535（16位）。

2.3 校準(zhǔn)值

在Word1-Word4中，校準(zhǔn)系數(shù)的排列如圖4所示。

2.4 寬溫度范圍內(nèi)的計(jì)算

為了獲得整個(gè)溫度范圍內(nèi)的最佳精度，需要對(duì)溫度傳感器的輸出進(jìn)行非線性補(bǔ)償。這可以通過(guò)一個(gè)二階因子校正實(shí)現(xiàn)，二階因子的計(jì)算如圖5所示。

2.5 控制時(shí)序

MS5534B通過(guò)3線的同步串行通訊口與微處理器通訊，如圖6所示。由微控制器產(chǎn)生的SCLK信號(hào)初始化通訊，并且同步數(shù)據(jù)傳輸。MS5534B在SCLK的上升沿采集數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)，微處理器在SCLK的下降沿采集數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)。在DOUT引腳上的數(shù)據(jù)是MS5534B的轉(zhuǎn)換結(jié)果或者軟件校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。另外，DOUT也用來(lái)指示轉(zhuǎn)換狀態(tài)（轉(zhuǎn)換完畢信號(hào)），所選擇的輸出數(shù)據(jù)由DIN引腳輸入的相應(yīng)時(shí)序決定。

校準(zhǔn)值、溫度值、壓力值讀取時(shí)序和復(fù)位時(shí)序如圖6、圖7、圖8、圖9所示。

每一次通訊都在開(kāi)始時(shí)序的引導(dǎo)下初始化，并且在啟動(dòng)時(shí)序后都有停止時(shí)序。啟動(dòng)時(shí)序由4個(gè)位組成，用來(lái)選擇讀壓力、溫度或者校準(zhǔn)值。在讀取壓力值（D1）和溫度值（D2）的過(guò)程中，MS5534B將通過(guò)在停止時(shí)序的最后1位時(shí)拉高在DOUT上的電平來(lái)響應(yīng)AD轉(zhuǎn)換的開(kāi)始。

當(dāng)SCLK上的響應(yīng)信號(hào)開(kāi)始后，還需要2個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)SCLK上出現(xiàn)下降沿時(shí)，表明AD轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成。微控制器經(jīng)查詢發(fā)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換完成后，便可以給17個(gè)時(shí)鐘信號(hào)后讀取16位的值。在開(kāi)始新一次AD轉(zhuǎn)換時(shí)，必須讀取上次的結(jié)果。

復(fù)位時(shí)序用來(lái)在微控制器與MS5534B間的同步時(shí)序丟失時(shí)重新同步，其時(shí)序如圖10所示。建議在每讀取數(shù)值前發(fā)送復(fù)位時(shí)序，避免干擾導(dǎo)致協(xié)議被永久掛起。

2.6 數(shù)據(jù)濾波

為了提高數(shù)據(jù)的穩(wěn)定度，需要進(jìn)行濾波。D1、D2 中有壓力和溫度數(shù)據(jù)，不能濾波。因此，可先通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)贸鰤毫χ礟，再對(duì)P進(jìn)行濾波。為了使數(shù)據(jù)顯得平滑，可采取先中位值平均，后低通的濾波算法。

2.7 高度與壓力的關(guān)系

大氣壓力是由大氣重力造成的，因?yàn)榭諝饪蓧嚎s，所以，壓力和高度存在非線性關(guān)系。在考慮大氣中典型溫度分布的情況下，1976年美國(guó)公布了標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的氣壓和高度的近似函數(shù)。其函數(shù)關(guān)系如圖11所示。

3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序是在LabVIEW軟件中編寫的。上機(jī)位程度的主要作用是，接收下位機(jī)發(fā)送的高度信息，計(jì)算初始高度和相對(duì)高度，播報(bào)相對(duì)海拔高度，計(jì)算發(fā)送模塊的海拔變化速度。

3.1 接收功能

接收功能的程序如圖12所示。

3.2 海拔高度

計(jì)算相對(duì)海拔高度的流程如圖13所示。

3.3 播報(bào)海拔高度

3.3.1 等間隔播報(bào)海拔高度

等間隔播報(bào)海拔高度的流程如圖14所示。

等間隔播報(bào)海拔的子VI程序如圖15所示。

3.3.2 按照海拔變化播報(bào)海拔高度

這種播報(bào)情況是當(dāng)發(fā)送模塊的海拔高度從一海拔范圍變化到另一海拔范圍時(shí)，才播報(bào)海拔高度，例如，從1～2 m的海拔范圍變化到2～3 m的海拔范圍時(shí)，會(huì)自動(dòng)播報(bào)海拔高度。其流程如圖16所示。

按照海拔變化播報(bào)海拔高度的程序如圖17所示。

計(jì)算海拔變化速度的程序如圖18所示。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：白潔〕