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。
圖1：系統(tǒng)硬件組成框圖
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(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)雜的模擬信號處理，如果模擬信號處理不當(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(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。
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。
信號放大電路采用ICL7653斬波穩(wěn)零運(yùn)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。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：信號放大電路
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(shí))，而且AD8138AR為表面封裝器件，器件體積小，使得ADC與信號輸入點(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
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。
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，則其輸出會產(chǎn)生相應(yīng)的波 動。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(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5：SCA100T電源電路
圖4中的基準(zhǔn)源LM236輸出的2．5 V電壓經(jīng)過軌對軌運(yùn)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(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。
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信號的數(shù)學(xué)處理
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。
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(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：
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，則需要能檢測的最小信號為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。
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溫度誤差補(bǔ)償曲線
通過曲線擬合，其曲線方程為：
在信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集后，轉(zhuǎn)換為角度輸出時(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，將溫度對傾角測量的影響降到最低。
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°)，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(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，又修正了溫度對傳感器的影響。
實(shí)測數(shù)據(jù)
該傾角測量系統(tǒng)在MC019-JJ2數(shù)字式2"光學(xué)分度頭標(biāo)準(zhǔn)儀器上進(jìn)行了分度和性能測試。MC019-JJ2數(shù)字式2"光學(xué)分度頭是一種對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)量儀器，其顯示當(dāng)量為1"。測試數(shù)據(jù)如表2所示。
從表2的測試數(shù)據(jù)可知，每個(gè)測試點(diǎn)的偏差有正有負(fù)，其主要原因在于這些測試點(diǎn)的曲線擬合是獨(dú)立的，互不影響。另外，在30°時(shí)絕對誤差最大，最大的絕對誤差為0．0044°，在1°時(shí)相對誤差最大，為0．001 8／1≈0．018％。
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(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，同時(shí)采用基準(zhǔn)源和運(yùn)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(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(jī)器人控制、坦克和艦船火炮平臺控制、飛機(jī)姿態(tài) 控制等系統(tǒng)的自動水平調(diào)節(jié)應(yīng)用。
