白 杰， 孟令軍， 張慧慧

（1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

高精度水下傾角測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

白 杰1，2， 孟令軍1，2， 張慧慧1，2

（1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

為滿足深海資源的探測(cè)開(kāi)發(fā)中傾斜角度精確測(cè)量的要求，設(shè)計(jì)一種高精度的傾角測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)包括以內(nèi)置高精度溫度傳感器的加速度計(jì)MS9001.D和微處理器STM32為核心的硬件電路，以24bit A/D轉(zhuǎn)換器ADS1251U采樣、算法溫度補(bǔ)償和全雙工異步通信為核心的下位機(jī)軟件以及以NI為核心的LabVIEW上位機(jī)軟件。實(shí)現(xiàn)基于MODBUS協(xié)議的RS485接口連接上位機(jī)，實(shí)時(shí)顯示并將采集到的角度值按照系統(tǒng)時(shí)間存儲(chǔ)于上位機(jī)。編寫IIR數(shù)字濾波算法，充分抑制振動(dòng)噪聲干擾。實(shí)測(cè)結(jié)果表明：該系統(tǒng)傾角測(cè)量精度可達(dá)0.01°，輸出響應(yīng)頻率為2Hz，具備環(huán)境溫度補(bǔ)償功能，滿足實(shí)際深海作業(yè)需求。

深海探測(cè)；傾角測(cè)量；高精度；補(bǔ)償算法

0 引 言

深海資源的探測(cè)開(kāi)發(fā)與保護(hù)具有非常重要的意義，目前深海探測(cè)技術(shù)[1]成為各國(guó)共同關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)。傾角測(cè)量是測(cè)量航行姿態(tài)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其測(cè)量精度以及抗振動(dòng)干擾的能力將直接影響最終的探測(cè)器航行路線。國(guó)內(nèi)在高精度水下的傾角領(lǐng)域[2]研究較少，而國(guó)外同類產(chǎn)品價(jià)格昂貴，又存在技術(shù)封鎖，基于此本文開(kāi)展了水下傾角的研發(fā)工作。

傳統(tǒng)的傾角傳感器根據(jù)工作原理可分為3類，即固體擺角傳感器、液體擺角傳感器和氣體擺角傳感器。而某種程度上，3類傳感器均存在一定的缺點(diǎn)。本文采用基于加速度傳感器微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的電容式加速度計(jì)，該傳感器的小尺寸、低功耗、高精度為傾角的測(cè)量帶來(lái)了可能。

本文介紹了傾角測(cè)量系統(tǒng)的整體方案及具體電路，重點(diǎn)闡述了利用加速度測(cè)傾角的方法、信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)、IIR數(shù)字濾波器算法的實(shí)現(xiàn)、溫度補(bǔ)償算法的實(shí)現(xiàn)及上位機(jī)應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)等。

1 總體方案

本系統(tǒng)由內(nèi)置高精度溫度傳感器的加速度傳感器MS9001.D、信號(hào)調(diào)理電路、高精度24 bit的A/D采樣ADS1251U、微處理器STM32、RS485接口以及上位機(jī)等組成。該測(cè)量裝置為雙軸傾角測(cè)量?jī)x[3-4]，高精度加速度傳感器MS9001.D采集到加速度值對(duì)應(yīng)的模擬量與溫度對(duì)應(yīng)的模擬量；加速度對(duì)應(yīng)的模擬電壓經(jīng)過(guò)濾波放大等信號(hào)調(diào)理電路[5]后送到ADC轉(zhuǎn)化為加速度數(shù)字量，溫度對(duì)應(yīng)的模擬量通過(guò)STM32的片上資源ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字量；然后經(jīng)過(guò)微處理器STM32內(nèi)部的補(bǔ)償?shù)纫幌盗兴惴ㄟ\(yùn)算，最終將角度值通過(guò)RS485總線接口輸出；于上位機(jī)端顯示同時(shí)將采集到的角度值按照當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間以2 Hz的頻率存儲(chǔ)，便于后期對(duì)數(shù)據(jù)的參考研究。本設(shè)計(jì)選擇了一種內(nèi)置高精度溫度傳感器的加速度傳感器+高精度24bit的A/D芯片ADS1251U,提高了抗干擾能力和測(cè)量精度。通過(guò)6階數(shù)字濾波算法，可以精確測(cè)量傳感器[6]相對(duì)于水平面的傾斜角度。方案框架如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 MEMS加速度傳感器MS9001.D

傳感器采用瑞士Colibrys公司生產(chǎn)的MS9001.D加速度傳感器，該傳感器是一款低功耗、低噪聲、高精度的MEMS加速度計(jì)，適用于惡劣環(huán)境和耐用度要求極高的應(yīng)用領(lǐng)域。其內(nèi)置的高精度溫度傳感器，可以根據(jù)溫度的變化修正傳感器溫度漂移[7]。靈敏度為 2 000 mV/g±16 mV/g，有效測(cè)量范圍為±90°，溫漂＜0.05mg/℃，輸出為0.5～4.5V模擬量，便于后端信號(hào)調(diào)理。傾角傳感器原理是利用加速度傳感器測(cè)其重力加速度，根據(jù)加速度與重力加速度所滿足的關(guān)系來(lái)計(jì)算傾角?；驹砣鐖D2所示。

圖2 基本原理圖

在重力加速度的作用下，當(dāng)加速度計(jì)的敏感軸與水平方向成θ角時(shí)（0≤θ≤90°），敏感軸上的重力加速度分量為gsinθ。傳感器模擬輸出與傾角θ的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

式中：V——傳感器輸出的模擬電壓，mV；

V0——水平放置時(shí)的電壓值，mV；

Vg——傳感器的靈敏度，mV/g。

即可得到如下關(guān)系：

由此可得，敏感軸與水平方向的夾角在一定范圍內(nèi)近似呈線性關(guān)系。

2.2 信號(hào)調(diào)理電路

傳感器輸出的模擬電壓為0.5～4.5V，需要經(jīng)高精度電阻分壓，集成運(yùn)放LMV324D跟隨之后將電壓調(diào)整到合適范圍0.25～2.25V送入A/D轉(zhuǎn)換器ADS1251U。A/D轉(zhuǎn)換器將電子傾角器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，分辨率的高低將影響系統(tǒng)的測(cè)量精度[8]。本系統(tǒng)采用TI公司的ADS1251U作為傾角測(cè)量的A/D轉(zhuǎn)換器，它是Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，24位分辨率，寬動(dòng)態(tài)范圍，+5V單電源供電。19位有效分辨率（均方根噪聲的1.5×10-6）的轉(zhuǎn)換速率高達(dá)20kHz。 ADS1251U將轉(zhuǎn)換的數(shù)字量通過(guò)2線制的I2C總線傳送到微處理器STM32。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電壓分辨率為

圖3 傳感器及調(diào)理電路原理圖

計(jì)算得到 Q=0.23 μV，而角度在±90°之間變化對(duì)應(yīng)的電壓值經(jīng)調(diào)理后變化范圍為0～4V，即傳感器的分辨率S=0.045°/mV，而最小分辨電壓為0.23μV，得到最小分辨角度 QS=1.035×10-5（°）。

當(dāng)加速度為-g，0，g時(shí)，角度值為-90°，0，90°。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分包括下位機(jī)與上位機(jī)。下位機(jī)軟件包括A/D采樣控制、IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)、溫度補(bǔ)償以及異步串行通信等，上位機(jī)包括異步串行通信、與數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示與繪圖、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等。

3.1 主程序軟件流程

軟件流程如圖4所示，系統(tǒng)完成初始化配置后，進(jìn)入ADC進(jìn)行溫度以及加速度模擬量的采集，之后將采集到的加速度進(jìn)行濾波降噪處理，將結(jié)果濾波之后的加速度值進(jìn)行溫度補(bǔ)償算法處理，得到當(dāng)前溫度的傾角值，之后經(jīng)RS485總線傳送到上位機(jī)進(jìn)行傾角顯示與記錄。

3.2 IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)及算法實(shí)現(xiàn)

由于實(shí)際使用過(guò)程中存在機(jī)械振動(dòng)干擾，給系統(tǒng)的測(cè)量帶來(lái)影響，而低頻10～20Hz的振動(dòng)干擾比較突出。為了消除測(cè)量過(guò)程中的振動(dòng)噪聲所帶來(lái)的影響，本系統(tǒng)添加了6階巴特沃斯低通濾波算法[9]。采樣頻率FS=300Hz，截止頻率F1=3Hz。巴特沃斯低通濾波具有通頻帶平坦、阻帶衰減迅速等特點(diǎn)。但是相頻是非線性的，群延時(shí)也不是常數(shù)，可能帶來(lái)相位失真的問(wèn)題，故借助Matlab對(duì)濾波器的相關(guān)特性進(jìn)行了仿真研究。由圖5可得該濾波器阻帶衰減迅速，2Hz的噪聲信號(hào)經(jīng)過(guò)一周期幾乎衰減到零。當(dāng)頻率高于2 Hz時(shí)，噪聲經(jīng)過(guò)濾波器已經(jīng)衰減到很小。由此可見(jiàn)，該濾波器抑制振動(dòng)噪聲效果明顯。

圖4 主程序流程圖

3.3 溫度補(bǔ)償

盡管傳感器溫漂很小，但為了進(jìn)一步提高測(cè)量精度，所以此處需要考慮；由于溫度變化影響的是傳感器的靈敏度，所以只需要修正靈敏度[10]就可以換算得到當(dāng)前精確的靈敏度值。加速度傳感器的靈敏度Vg以及零點(diǎn)電壓V0隨著溫度的變化而變化，均為溫度 T 的函數(shù)，設(shè)為 Vg（T），V0（T）。 所以傾角值實(shí)際上是關(guān)于電壓與溫度的一個(gè)函數(shù)關(guān)系即：

圖5 濾波器仿真圖

根據(jù)上式，實(shí)時(shí)修正隨溫度變化的靈敏度Vg與零點(diǎn)電壓V0即可換算得到修正后的角度值。由于溫度的變化有一定的遲滯性，所以對(duì)溫度的采集無(wú)需太快，每秒采集一次。這樣既滿足系統(tǒng)實(shí)際要求，又降低系統(tǒng)資源占用。根據(jù)傳感器參數(shù)，在20℃時(shí)，傳感器輸出的電壓為1.632V，溫度傳感器靈敏度為-11.77mV/℃。而資料顯示，海水水溫一般隨深度的增加而降低，在深1000m處，水溫大約為4～5℃，隨著深度增加，溫度會(huì)降到0℃左右的低溫。由于溫度范圍較寬，所以精確測(cè)量溫度對(duì)于靈敏度的確定以及最終傾角的測(cè)量很有必要。需要通過(guò)高低溫實(shí)驗(yàn)確定溫度與靈敏度和零位電壓值的關(guān)系。為了得到精確的溫度-靈敏度關(guān)系，需要在一個(gè)溫度值下采集多組樣本，然后求其平均值。圖6是經(jīng)過(guò)多次測(cè)量得到的最終溫度-靈敏度關(guān)系圖。

圖6 溫度-靈敏度曲線圖

在一個(gè)溫度下測(cè)量多個(gè)樣本值，然后取其平均值，每隔5℃，測(cè)量一次數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)線性擬合，得到溫度-零位電壓值曲線如圖7所示。

圖7 溫度-零位電壓值曲線圖

理論上N的選取越大越精確，但是從實(shí)際考慮，N取10就可以很精確地得到其平均值，所以在實(shí)際測(cè)試中選取N=10。

圖8 上位機(jī)界面圖

3.4 上位機(jī)

上位機(jī)應(yīng)用程序在LabVIEW軟件[11]進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用控件[12]將x軸與y軸的傾斜角度以滾屏的形式顯示于界面左邊，并將實(shí)時(shí)傾角值以二維坐標(biāo)軸的形式顯示于右邊，如圖8所示。友好的人機(jī)交互界面，為采集和顯示以及最終在PC機(jī)存儲(chǔ)提供了保障。軟件可實(shí)現(xiàn)串口參數(shù)設(shè)置、十六進(jìn)制命令發(fā)送、傾角數(shù)據(jù)曲線繪制、傾角數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示、txt格式數(shù)據(jù)保存等功能。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

本系統(tǒng)已經(jīng)研制完畢，結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高，采用灌封技術(shù)與油封加多級(jí)防水處理，以達(dá)到水下作業(yè)的需求。

圖9是上位機(jī)界面通過(guò)以txt格式以當(dāng)前時(shí)間為文件名所記錄的傾角值。輸出響應(yīng)頻率為2Hz，精度達(dá)到 0.01°。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)方案可行，系統(tǒng)集成度高，從采集到處理以及濾波、溫度補(bǔ)償?shù)确矫婵紤]，降低誤差，提高了系統(tǒng)精度，最后將得到的傾角值采用MODBUS協(xié)議通過(guò)RS485實(shí)時(shí)顯示于上位機(jī)，并在上位機(jī)上進(jìn)行記錄存儲(chǔ)，便于后期對(duì)數(shù)據(jù)的研究分析。研制成功后，經(jīng)長(zhǎng)期測(cè)試，工作穩(wěn)定可靠，取得較好的測(cè)試結(jié)果?？捎糜诠I(yè)生產(chǎn)、軍事火力控制、航海潛水以及航空航天等寬溫度工作范圍的高精度測(cè)量領(lǐng)域。

圖9 數(shù)據(jù)記錄圖

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（編輯：商丹丹）

Design of high-precision underwater dip angle measuring system

BAI Jie1，2， MENG Lingjun1，2， ZHANG Huihui1，2
（1.Ministrial Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.State Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

In order to meet the requirements of precision measurement on angle of inclination in deep-sea resources exploration and development，a high-precision dip angle measuring system is designed.Thesystem ismadeup ofaccelerometerMS9001.D with built-in high-precision temperature sensor and microprocessor STM32 as the core hardware circuit，the slave computer software of 24bit A/D convertor ADS1251U sampling，temperature compensation algorithm as well as full duplex asynchronous communication and the NI-cored LabVIEW upper computer software.It realizes the connection to the upper computer through RS485 interface based on MODBUS protocol to real-time display the angle values and store the acquired angle value in the upper computer by system time.The formation of IIR digital filtering algorithm is able to sufficiently suppress the vibration noise interference.The results show that the measuring accuracy of dip angle can reach 0.01° with outputresponse frequency of2 Hz， having the temperature compensating ability and meeting the demands for deep-sea operation.

deep-sea exploration； dip angle measurement； high-precision； compensation algorithm

A

1674-5124（2017）06-0070-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.06.015

2016-06-15；

2016-09-21

國(guó)家自然科學(xué)基金（61274103）

白 杰（1990-），男，山西呂梁市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)殡娐放c系統(tǒng)。