硅壓阻式氣壓高度計的設(shè)計與實現(xiàn)*

高 磊，馬英輝，王文清，勾 燁

（1.宿遷學(xué)院 機(jī)電工程系，江蘇 宿遷 223800；2.宿遷學(xué)院 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，江蘇 宿遷 223800；3.宿遷市氣象局，江蘇 宿遷 223800；4.聯(lián)想移動互聯(lián)及數(shù)字家庭業(yè)務(wù)集團(tuán)移動終端事業(yè)部，江蘇 南京 211100）

0 引言

氣壓高度計是一種通過敏感大氣壓力來指示飛行器飛行高度的儀表，氣壓高度作為飛行器的基本飛行狀態(tài)參數(shù)，是保障其飛行控制系統(tǒng)正常工作、維持飛行安全的重要參數(shù)，對充分發(fā)揮飛行器性能、減少能量消耗以及順利完成各種飛行動作都具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的氣壓高度計不能滿足微小型飛行器的操控要求，主要原因在于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，測量精度低，功耗大[1]。隨著MEMS技術(shù)水平和集成電路工藝的迅猛發(fā)展，促使半導(dǎo)體集成電路和壓阻式氣壓傳感器實現(xiàn)高度集成化，具備接口簡單、體積小、穩(wěn)定性高、動態(tài)響應(yīng)快、精度和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，這些都將大大提高系統(tǒng)的綜合性能，簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

氣壓高度計硬件系統(tǒng)包括微型控制器 （MCU）、電源、硅壓阻式氣壓敏感元件、溫度傳感器、串口通信、A/D轉(zhuǎn)換器等部分，如圖1所示。系統(tǒng)工作時，氣壓敏感元件將大氣壓力轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號，溫度傳感器同樣輸出溫度的模擬電壓信號，兩者分別經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器的兩個通道轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；然后在MCU中進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算處理；得到的氣壓和高度數(shù)據(jù)通過RS-485（232）接口輸出。

圖1 氣壓高度計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 微型控器ATmega88PA

氣壓高度計采用Atmel公司的ATmega88PA芯片為MCU，它是先進(jìn)的精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有很高的代碼執(zhí)行效率，高達(dá)1 MIPS/MHz的數(shù)據(jù)吞吐率。最主要的是片內(nèi)配置了只需2個時鐘周期的硬件乘法器，這為系統(tǒng)算法實現(xiàn)中大量使用的乘法運(yùn)算提供了方便，從而大大提高氣壓計系統(tǒng)的響應(yīng)特性。此外，芯片中還含有擦寫壽命高達(dá)10 000次的8 KB片內(nèi)可編程Flash；512 B的E2PROM，為程序運(yùn)算中所需大量系數(shù)的存儲提供了充足的空間。

1.2 氣壓敏感元件和溫度傳感器

氣壓高度計采用MEAS（Measurement Specialties Inc）公司生產(chǎn)的硅壓阻式壓力傳感器，其內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)及管腳如圖2所示。其量程范圍為0～15 psi（即0～103 425 Pa），溫度補(bǔ)償范圍為-20℃～+85℃；在1.5 mA電流激勵下，滿量程輸出值為100 mV；另外，存在±0.1%的非線性誤差和±0.5%的溫度誤差。

溫度傳感器選用MAX873，它具有靈敏度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，工作電源電壓范圍為4.5～18 V，靜態(tài)電流為280 μA，在-40℃～85℃溫度范圍內(nèi)具有極好的線性輸出（約4×10-6/℃），靈敏度為2 mV/℃；MAX873還能同時為A/D轉(zhuǎn)換器提供低溫漂的2.5 V基準(zhǔn)電壓，其溫度漂移系數(shù)為7 ppm/℃。

圖2 硅壓阻式壓力傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳圖

1.3 A/D轉(zhuǎn)換器

為滿足氣壓高度計在500～1 100 hPa測量范圍內(nèi)分辨率能達(dá)1 Pa的要求，兼顧計算過程中的舍入誤差，所需A/D轉(zhuǎn)換器至少為20位；為消除壓力轉(zhuǎn)換通道與溫度轉(zhuǎn)換通道之間的非線性問題，再考慮到經(jīng)濟(jì)性，因此選用德州儀器公司生產(chǎn)的雙通道24位Δ-∑型高精度A/D轉(zhuǎn)換器ADS1242，其輸入通道前端集成了可編程模擬放大器，輸入范圍較寬。內(nèi)部50 Hz陷波器在15 Hz數(shù)據(jù)輸出模式下的共模抑制比可達(dá)120 dB，特別適合緩變小信號的精確測量。使用內(nèi)部的校準(zhǔn)系統(tǒng)，可消除系統(tǒng)通道的失調(diào)和增益誤差。采用串行SPI總線接口，可以在外部電平邊沿中斷方式或查詢方式下工作。

1.4 通信接口設(shè)計

氣壓高度計對外的通信接口可選RS-485或RS-232接口，本機(jī)采用RS-485接口形式，硬件電路選用MAX3471EUA芯片將信號電平轉(zhuǎn)換為RS-485電平。它采用平衡發(fā)送和差分接收方式來實現(xiàn)通信。在發(fā)送端TXD將串行口的TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號A、B兩路輸出，經(jīng)傳輸后在接收端將差分信號還原成TTL電平信號。最大傳輸距離可以達(dá)3 000 m；最多可連接128個驅(qū)動器和收發(fā)器，接收器最低靈敏度達(dá)±200 mV；最大傳輸速率達(dá)10 Mb/s[2]。MAX3471EUA芯片的結(jié)構(gòu)和引腳非常簡單，其內(nèi)部含有一個驅(qū)動器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動器的輸入端，與單片機(jī)連接時只需分別與單片機(jī)的RxD和TxD相連即可，如圖3所示。A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號端并且要在這兩端之間加匹配電阻，其典型值為54 Ω。當(dāng)A引腳的電平比B引腳高2～6 V時，表示發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)A引腳的電平比B引腳低2～6 V時，表示發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。因此，RS-485總線具有較強(qiáng)的抗共模干擾的能力。

圖3 RS-485接口電路

2 軟件設(shè)計

2.1 主程序設(shè)計

軟件設(shè)計的基本要求是可靠性高、執(zhí)行效率高。氣壓高度計的系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化的設(shè)計思想，采用匯編語言在AVRStudio編譯環(huán)境下編寫。

軟件功能模塊主要包括：初始化、啟動A/D轉(zhuǎn)換壓力和溫度、數(shù)字濾波計算、溫度補(bǔ)償計算、高度換算、RS-485通信等子程序。初始化的對象包括堆棧的設(shè)置、中斷的設(shè)置、A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)置及串行接口UART的初始化設(shè)置；系統(tǒng)初始化完成后即啟動A/D轉(zhuǎn)換器采集壓力和溫度的原始碼數(shù)據(jù)，為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，對采集到的數(shù)據(jù)采用復(fù)合加權(quán)平均值濾波算法得到平滑數(shù)據(jù)[3]；溫度補(bǔ)償計算是根據(jù)存儲在E2PROM中的補(bǔ)償系數(shù)實現(xiàn)對壓力數(shù)據(jù)的修正，主要解決由于溫度變化引起的傳感器零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移的問題，得到真實的壓力值。經(jīng)補(bǔ)償算法處理后的實際壓力和當(dāng)前溫度再送入高度換算子程序進(jìn)行高度換算。最后，壓力與高度數(shù)據(jù)通過串行接口輸出；在主程序執(zhí)行過程中能隨時響應(yīng)串口中斷，接收并執(zhí)行上位機(jī)指令。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 軟件主程序流程圖

2.2 硅壓阻式壓力傳感器的溫漂和溫度補(bǔ)償

硅壓阻式壓力傳感器的溫漂主要是指傳感器的零點(diǎn)溫度漂移和靈敏度溫度漂移，它們的存在大大增加了傳感器的測量誤差，限制了其使用范圍。造成硅壓阻式傳感器測量誤差的因素主要包括：結(jié)構(gòu)尺寸誤差、幾何非線性誤差、晶向選擇誤差、電橋阻值誤差、橋臂電阻分布位置誤差、電阻摻雜濃度誤差、壓阻系數(shù)溫度特性、封裝熱應(yīng)力和反向漏電流等。傳感器的誤差是上述諸多因素綜合的結(jié)果[4]。此外，包括氣壓高度計硬件電路所使用的每個集成電路都具有其特定的溫度特性，所使用的各個分立元件也都具有各自的溫度特性，這些都將影響氣壓高度計整機(jī)的輸出。

對氣壓高度計樣機(jī)的氣壓測量試驗結(jié)果表明，其輸出的壓力數(shù)據(jù)都表現(xiàn)為隨溫度升高而逐漸變大的變化規(guī)律，所以必須采用溫度補(bǔ)償算法來提高硅壓阻式壓力傳感器的一致性和穩(wěn)定性[5]。

使用溫度參數(shù)對壓力數(shù)據(jù)的非線性修正（即溫度補(bǔ)償）由單片機(jī)軟件算法完成。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)壓力（P）與從模數(shù)轉(zhuǎn)換采集得到的壓力原始碼（Pm）和溫度原始碼（Tm）的關(guān)系，令：

對式（1）在任意一點(diǎn)（Pm0，Tm0）做二元函數(shù)的泰勒級數(shù)展開，根據(jù)測量精度的要求保留至二次項即可，得到壓力補(bǔ)償算法：

其中， 系數(shù)k00、k10、k01、k20、k11、k02、k21、k12、k22的確定需通過試驗采集Pm、Tm和P的數(shù)據(jù)。通過高低溫試驗箱來實現(xiàn)溫度變化，預(yù)先編制采集程序用于采集壓力原始碼Pm和溫度原始碼Tm。在-40℃～60℃的溫度范圍內(nèi)，每間隔一定的度數(shù)作為一個溫度點(diǎn)，當(dāng)溫度穩(wěn)定后，標(biāo)準(zhǔn)壓力P在500～1 100 hPa范圍內(nèi)每間隔一定壓力調(diào)整一次，則可得到若干個數(shù)據(jù)點(diǎn)，如表1所示的標(biāo)定數(shù)據(jù)。通過對式（2）的擬合計算獲得各項的系數(shù)如表2所示。編寫單片機(jī)軟件時，表2中的9個系數(shù)被保存在單片機(jī)的E2PROM中，測量時只要將Pm和溫度Tm代入式（2），就可得到正確的壓力數(shù)據(jù)。

2.3 氣壓-高度的轉(zhuǎn)換原理

根據(jù)《國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2533-標(biāo)準(zhǔn)大氣》，在0～11 km高度范圍內(nèi)若忽略重力加速度的影響，氣壓高度與相應(yīng)的大氣壓力之間存在如下關(guān)系[6]：

其中，T0=288.15 K（15℃），為標(biāo)準(zhǔn)海平面的溫度；β=0.006 5 K/m，為空氣溫度隨高度變化而變化的遞減率（即溫度梯度）；P0=101.342 kPa，是標(biāo)準(zhǔn)海平面大氣壓；R=287.052 78 m2/（K·s2），是空氣氣體常數(shù)；g0=9.806 65 m/s2，為標(biāo)準(zhǔn)海平面的重力加速度。

表1 標(biāo)定記錄的數(shù)據(jù)

表2 擬合得到的系數(shù)

把上述標(biāo)準(zhǔn)大氣數(shù)據(jù)帶入式（3），得到：

計算時，只要將經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)膶嶋H壓力帶入式（4）即可，但該氣壓高度計算公式相對比較復(fù)雜，含乘、除及指數(shù)運(yùn)算，計算量較大，將會占用CPU較多的內(nèi)存資源，降低程序的執(zhí)行效率，降低系統(tǒng)的實時性。實際算法的實現(xiàn)是采用了線性插值的方法來簡化計算，從而減輕了處理器的負(fù)擔(dān)。

3 試驗測試與結(jié)果分析

3.1 壓力循環(huán)測試試驗

壓力的循環(huán)試驗所用高低溫試驗箱型號為C340-70PRO，試驗箱的溫度調(diào)節(jié)范圍為-40℃～+60℃；濕度設(shè)定為55%RH；壓力標(biāo)準(zhǔn)器（型號：CPC 6000）壓力調(diào)節(jié)范圍為400～1 100 hPa。實驗室環(huán)境溫度為20℃。對氣壓高度計在25℃條件下進(jìn)行壓力循環(huán)試驗，測試數(shù)據(jù)取用上、下兩個行程反復(fù)3次的平均值，如表3所示。

表325 ℃下壓力循環(huán)測試數(shù)據(jù)

在表3的壓力循環(huán)測試數(shù)據(jù)中，平均偏差為0.06 hPa，最大引用誤差發(fā)生在500 hPa測試點(diǎn)上，為0.30‰。把反復(fù)3次循環(huán)過程的共6組測試數(shù)據(jù)用MATLAB軟件線性擬合得到傳感器輸入與輸出特性關(guān)系曲線如圖5所示，其線性度為0.999 9。壓力的輸入-輸出關(guān)系表現(xiàn)出優(yōu)良的線性特性。

圖5 壓力輸入-輸出特性曲線

3.2 氣壓高度計高度測量試驗

以宿遷學(xué)院圖書館大樓的一樓地面為基準(zhǔn)平面，用氣壓高度計測量每層地面到基準(zhǔn)平面的相對高度，如此反復(fù)測量5次，得到的測量高度Hm與實際高度Hr的測試曲線如圖6所示，平均標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.16 m，線性度為0.999 8。由此可見，基于硅壓阻式壓力傳感器的氣壓高度計輔以數(shù)字濾波、全溫區(qū)溫度補(bǔ)償?shù)人惴ň哂泻芨叩臏y量精度，軟件算法補(bǔ)償方法的運(yùn)用極大地簡化了硬件電路的結(jié)構(gòu)，有效減小了系統(tǒng)的噪聲干擾，提高了測量精度。

圖6 氣壓高度計輸出高度-實際高度曲線

4 結(jié)論

采用OEM硅壓阻式壓力傳感器為氣壓敏感器件，以高性能單片機(jī)為處理器研制的氣壓高度計結(jié)合數(shù)字運(yùn)算處理技術(shù)和全溫區(qū)溫度補(bǔ)償技術(shù)很好地解決了硅壓阻式壓力傳感器的溫漂問題，實現(xiàn)了高度測量，其中壓力參數(shù)測量誤差小于0.50‰，分辨率達(dá)到0.01 hPa，線性度達(dá)到0.999 9；雖然壓力的溫漂得以修正，但由于測量環(huán)境因素的影響和計算公式簡化處理帶來的誤差，造成高度測量結(jié)果0.16 m的誤差和0.999 8的線性度。綜合上述測試結(jié)果，該氣壓高度計具有較高的精度和較強(qiáng)的抗干擾能力，且體積小、重量輕、功耗低，適用于微型飛行器飛行參數(shù)的測量，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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