石英撓性加速度計在角度檢測中的應(yīng)用

黃 振，張春生，黃 偉，趙 毅，王曉東

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

石英撓性加速度計在角度檢測中的應(yīng)用

黃 振，張春生，黃 偉，趙 毅，王曉東

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，角度檢測在現(xiàn)代工業(yè)體系中占有重要地位?，F(xiàn)有角度檢測設(shè)備因其測量范圍、測量精度和功耗等局限，而逐漸不能滿足測量要求。采用石英撓性加速度計傳感器、AD7734與ARM MCU組合而成的一種新型傾角測量儀，通過對石英撓性加速度計的電流信號進行調(diào)理和AD采集，以及對采集的數(shù)據(jù)進行濾波處理，解算出傾角，通過標準RS485通信接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機上顯示。實驗表明：在0°～30°角度測量范圍內(nèi)，該系統(tǒng)傾角測量精度可以達到±0.01°，具有很好的工作穩(wěn)定性。同時，該傾角測量儀具有體積小、精度高、重量輕、功耗低等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用到橋梁架設(shè)、國防軍事、地質(zhì)勘探、土木工程、石油鉆井、航空航天、航海、精密加工等領(lǐng)域。

石英撓性加速度計；角度檢測；傾角測量儀；ARM MCU；RS485通信接口

0　引言

角度測量是幾何量測量技術(shù)的重要組成之一，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、通信、航海、航天以及航空等各種領(lǐng)域，對我國經(jīng)濟建設(shè)、國防建設(shè)以及科學(xué)技術(shù)研究起至關(guān)重要的作用［1］。但隨著測量要求的不斷提高，在很多應(yīng)用現(xiàn)場，現(xiàn)有的角度測量儀器由于其測量范圍、使用范圍、精度、功耗以及體積等方面的原因，已漸漸無法滿足測量要求。石英撓性加速度計具有啟動快、功耗低、可靠性高、精度高、易于實現(xiàn)數(shù)字化和智能化等優(yōu)點，可以應(yīng)用于各種傾斜角度檢測系統(tǒng)中。

本文設(shè)計的傾斜角度測量儀采用了石英撓性加速度計MQA-1、AD7734、ARM STM32F103、溫度控制電路以及RS485通信線組成的硬件結(jié)構(gòu)，同時通過上位機軟件對該傾角測量儀進行數(shù)據(jù)采集和補償。

1　角度測量原理

石英撓性加速度計傾角測量儀是基于重力加速度原理。重力加速度g的方向始終垂直向下，如果空間水平方向與重力加速度g方向垂直，則重力加速度在水平方向上的投影為0；如果空間水平方向與重力加速度g方向不垂直，即與重力加速度方向有夾角，那么重力加速度在這個空間平面上的投影不為0［1-5］。

通過石英撓性加速度計傳感器感應(yīng)軸上的重力加速度，經(jīng)過計算可以轉(zhuǎn)換得到設(shè)備傾斜角度，其測量原理示意圖如圖1所示。傳感器輸出與重力加速度g有以下關(guān)系:

式中，Ax是石英撓性加速度計輸出的加速度信息，g是以重力為參考的加速度值，α是傳感器傾斜角度，也即是設(shè)備傾斜角度。

圖1　加速度傳感器角度測量原理圖Fig.1 Diagram of angle measurement principle of accelerometer sensor

由此可以解算出角度值信息:

因此，在加速度原理的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了角度信息的測量，它以重力為輸入矢量來決定物體在空間的狀態(tài)，進而反應(yīng)出物體的角度。把石英撓性加速計固定在物體的表面，當(dāng)物體角度改變時，石英撓性加速度計的敏感軸也隨之轉(zhuǎn)動一定角度，由于重力的作用，石英撓性加速度計敏感軸上的加速度會發(fā)生改變，因此可以根據(jù)石英撓性加速度計輸出信息的變化來反應(yīng)物體的角度偏轉(zhuǎn)。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

該石英撓性加速度計傾角測量儀硬件系統(tǒng)包括MQA-1石英撓性加速度計、調(diào)理電路、AD采集電路、STM32F103及其外圍電路、數(shù)據(jù)通信電路以及溫控電路等，其硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2　硬件系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of system hardware

文中采用的MQA-1石英撓性加速度計為單軸加速度傳感器，輸出為電流信號，±15V供電，量程是±40g，標定因數(shù)K1為（1±0.15）mA/g。在調(diào)理電路前端加入2K采樣電阻，將石英撓性加速度計輸出的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，再經(jīng)過調(diào)理電路中的濾波電路，發(fā)送給AD7734。則AD采集到的電壓輸入范圍為±2V左右。

為了保證整個系統(tǒng)的測量精度，使用的AD7734具有24-bit高分辨率，輸入電壓范圍可以設(shè)置為+5V、±5V、+10V、±10V，供電電壓為5V，采用SPI通信，可以同時采集4路信號。本文所提到的石英撓性傾角測量系統(tǒng)僅需要同時采集2路石英撓性加速度計的輸出信號。因為采集到的電壓范圍為±2V左右，故在程序AD初始化中，將AD的采樣輸入電壓范圍設(shè)置為±5V。

STM32F103內(nèi)核是32-bit Cortex-M3處理器，最大時鐘頻率可以達到72MHz，擁有足夠的外設(shè)資源，包括2個16-bit看門狗定時器、2個12-bit 的10通道A/D轉(zhuǎn)換模塊、電壓比較器、電壓基準輸出、定時器、2個SPI，2個I2C以及3個串行通信模塊等。該系統(tǒng)采用FLASH ROM技術(shù)，集成JTAG，支持在線編程。該芯片價格低、功耗低、外設(shè)資源足夠、處理速度快。

為了保證石英撓性加速度傾角測量儀的長期穩(wěn)定性，同時設(shè)置了溫控電路，使得石英撓性加速度計的本體空間溫度控制在55℃±0.5℃。溫控電路采用電橋平衡原理，熱敏電阻貼于本體內(nèi)部。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

程序設(shè)計包括SPI通信、數(shù)據(jù)處理、串口通信等。系統(tǒng)上電后，首先對STM32F103的各個資源進行配置，包括時鐘配置、中斷配置、IO配置、串口配置、SPI配置等，然后通過 SPI總線對AD7734進行初始化，再進行數(shù)據(jù)采集處理。同時硬件資源檢測是否有串口接收中斷發(fā)生，該中斷在串口中斷服務(wù)子程序中實現(xiàn)，其軟件系統(tǒng)流程圖如圖3所示。其中，圖3（a）是主程序流程圖，圖3（b）是串口中斷服務(wù)子程序流程圖。

AD7734與STM32F103之間的通信采用SPI通信。在主程序中，對AD進行初始化。首先，對AD進行復(fù)位，然后設(shè)置AD的參數(shù)，最后配置AD電壓采集范圍、采樣速率以及轉(zhuǎn)換模式。AD的片選引腳由STM32F103的PB11控制，通過對PB11引腳寫 ‘0’或 ‘1’，來控制AD7734的啟動或關(guān)閉。在主程序循環(huán)中，判斷AD7734的引腳RDY的電平，當(dāng)該引腳電平為 ‘0’時，微處理器通過SPI總線發(fā)送指令，讀取AD7734對應(yīng)通道寄存器的數(shù)據(jù)，SPI通信圖如圖4所示。AD7734采集到的數(shù)據(jù)是 24-bit，對應(yīng)數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)是8-bit，微處理器通過 SPI通信獲得的數(shù)據(jù)先是MSB，后是LSB，通過以下方法可以合并為24位輸出值:

axrate=（axbyte［0］＜＜16）+（axbyte［1］＜＜8）+axbyte［2］；

ayrate=（aybyte［0］＜＜16）+（aybyte［1］＜＜8）+aybyte［2］；

計算出來的角度值存放在程序中某個變量里，當(dāng)有上位機指令到來，則進入串口中斷服務(wù)子程序中，將該變量的值通過串口發(fā)送出去。串口采用RS485標準，實現(xiàn)STM32F103與PC之間的通信。采用Labview編寫上位機程序，顯示PC機接收到的數(shù)據(jù)并以txt文件保存在PC機中，有利于數(shù)據(jù)的進一步分析和處理［3］。

圖3　軟件系統(tǒng)流程圖Fig.3 The flow chart of the software system

4　抗干擾設(shè)計

石英撓性加速度計敏感性高，容易受到外界的干擾，系統(tǒng)輸出噪聲隨著測量帶寬的改變而改變［3-4］。通過濾波電路處理，降低系統(tǒng)帶寬，可以有效減小系統(tǒng)輸出噪聲，提高整個系統(tǒng)的信噪比。為了保證該系統(tǒng)的靈敏度和精度，需要對系統(tǒng)進行干擾設(shè)計。

圖4　SPI通信圖Fig.4 SPI communication diagram

4.1硬件抗干擾

信號調(diào)理電路中，采用二階濾波電路，降低系統(tǒng)輸入信號的帶寬，減少信號噪聲，提高信噪比。

同時，為了防止電源引入外界干擾，需要對電源噪聲進行抑制。在電源上并接0.1μF濾波電容。在印制板上，電容的擺放位置盡可能地靠近芯片電源引腳，并且引線長度要盡可能短。將模擬地與數(shù)字地分開，中間采用0Ω電阻連接，避免數(shù)字地對模擬信號的干擾。

4.2軟件抗干擾

通過軟件濾波可以更有效地降低信號干擾，提高數(shù)據(jù)的準確性。軟件設(shè)計中主要采用兩種濾波思想。

一種是FIR濾波器思想。該濾波器具有性能穩(wěn)定、快速響應(yīng)、設(shè)計靈活等特點。同時，由于該濾波器單位沖擊響應(yīng)是有限長的，因而可用快速傅里葉變換（FFT）來實現(xiàn)濾波信號，可大大提高運算效率，很好地應(yīng)用到該傾斜測量儀軟件系統(tǒng)中。FIR濾波器用當(dāng)前和過去輸入樣值的加權(quán)和來形成它的輸出:

在程序中，l的取值為51，h（i）的參數(shù)根據(jù)大量的原始數(shù)據(jù)，在MATLAB中計算得出。

另外一種是均值濾波，先接收100個數(shù)據(jù)，再保留它們的算數(shù)平均值，可以較好地抑制隨機噪聲。

5　數(shù)據(jù)分析

測試過程中，采用四點翻滾法則測試該系統(tǒng)的偏值K0和標度因數(shù)K1。分別測試該石英撓性傾角測量儀在0°、90°、180°、270°位置時的初始電壓值，再根據(jù)這些電壓值計算出該傾角測量儀的參數(shù)，將計算出來的參數(shù)加入到角度解算公式中。

測試過程中，該傾角測量儀處于0g狀態(tài)，測試結(jié)果曲線圖如圖5所示。

根據(jù)要求，在轉(zhuǎn)臺上測得0°～30°范圍內(nèi)的角度信息，經(jīng)過程序中對測量系統(tǒng)的補償后，得到的傾角測量結(jié)果如表1所示。

圖5　0g狀態(tài)測試結(jié)果曲線圖Fig.5 Curve of the test results in 0g state

表1　傾角測量結(jié)果Table 1 Result of title angle measurement

由圖5可以看到，在0g狀態(tài)下，石英撓性加速度計傾角測量儀的角度輸出變化在0.002°以內(nèi)，數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定。而由表1可以看出，在0°～30°范圍內(nèi)，測得的角度精度在±0.01°以內(nèi)，具有很高的精度。

6　結(jié)論

本文設(shè)計的石英撓性加速度計傾角測量儀具有體積小、重量輕、精度高、功耗低、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，在0°～30°角度測量范圍內(nèi)，其長期測量精度可以達到±0.01°，適用于精度要求高的場合。

未來，該系統(tǒng)可以應(yīng)用到橋梁架設(shè)、國防軍事、地質(zhì)勘探、土木工程、石油鉆井［6］、航空航天、航海、精密加工等領(lǐng)域。

［1］ 李哲.基于MEMS傳感技術(shù)的數(shù)字式傾角儀的研究［D］.天津大學(xué)，2008. LI Zhe.Study on a digital angle measuring instrument basedonMEMSsensortechnology［D］.Tianjin University，2008.

［2］ 張偉，梁華為，楊新綱.基于MSP430單片機的便攜式數(shù)字傾角儀的研制［J］.工業(yè)儀表與自動化裝置，2006 （2）：70-73. ZHANG Wei，LIANG Hua-wei，YANG Xin-gang.Developing a portable digital inclinometer based on MSP430 MCU ［J］.Industrial Instrumentation&Automation，2006（2）：70-73.

［3］ 于瑋，封維忠，武建軍.基于MEMS加速度傳感器的數(shù)字水平儀［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2011（1）：24-26. YU Wei，F(xiàn)ENG Wei-zhong，WU Jian-jun.Digital inclinometerbasedonMEMSaccelerationsensor［J］. Instrument Technique and Sensor，2011（1）：24-26.

［4］ 毛強.基于MEMS技術(shù)的傾角傳感器的研制［J］.計算機測量與控制，2006，14（10）：1428-1430. MAO Qiang.Development of tilt angle sensor based on MEMS technology［J］.Computer Measurement&Control，2006，14（10）：1428-1430.

［5］ 沙承賢，李杰，翟成瑞，等.基于MEMS加速度傳感器的數(shù)字傾角儀設(shè)計［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2010，29（6）：134-136. SHA Cheng-xian，LI Jie，ZHAI Cheng-rui，et al.Design of digital inclinometer based on MEMS acceleration sensor ［J］.Transducer and Micro-system Technology，2010，29 （6）：134-136.

［6］ 高爽，焦禹舜，孔慶鵬，林鐵.隨鉆測斜用微小型導(dǎo)航計算機系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.導(dǎo)航與控制，2013，12（4）：41-44. GAO Shuang，JIAO Yu-shun，KONG Qing-peng，LIN Tie.Design and realization of a micro navigation computer systemusedininclinometerconcerningMWD［J］. Navigation and Control，2013，12（4）：41-44.

Application of Quartz Flexibility Accelerometer in Angle Measuring

HUANG Zhen，ZHANG Chun-sheng，HUANG Wei，ZHAO Yi，WANG Xiao-dong
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

With the development of science technology，angle measuring becomes more and more important in the modern industry system.And the existing angle measuring instruments can't meet the requirement of measuring，because of its disadvantage in measurement range，measurement accuracy and the power consumption.A new type tilt angle measuring instrument is designed，and combined with quartz flexibility accelerometer，AD7734 and ARM MCU.By conditioning and AD acquisition for quartz flexibility accelerometer output current signal and filtering the AD data，MCU calculates inclination value and inclination value can be displayed by PC via standard RS485 communication interface.The experiment shows that the angle measurement precision can reach±0.01°and it has good stability in the angle measurement range from 0°to 30°.Otherwise，the angle measurement instrument features small size，high precision，light weight，low power consumption and can be widely used in bridges，military affairs and national defense，geological exploration，civil engineering，oil artesian well，aviation and aerospace，seafaring and exact machining and so on.

quartz flexibility accelerometer；angle measuring；tilt angle measurement instrument；ARM MCU；RS485 communication interface

V19

A

1674-5558（2016）05-01096

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.03.019

2015-03-31

黃振，男，計算機應(yīng)用技術(shù)專業(yè)，碩士，研究方向為電流頻率轉(zhuǎn)換電路設(shè)計、智能儀器檢測與控制。