倾角传感器自动校准系统的设计

2016-11-30

传感器世界 2016年1期

北京信息科技大学信息获取与检测实验室，北京 100101

一、引言

角度测量是计量科学的重要组成部分[1]。随着科学技术的发展，现代化的测量倾角的仪器倾角传感器，被大量地生产出来并应用于倾角测量领域。同时，人们对于测量的精确度和准确度的要求也在不断提高。在需要批量生产传感器的场合，传统的校准方法由于其成本高、效率低和校准精度低等原因，显然已经不适合于倾角传感器的校准[2]。

针对以上问题，设计了一套倾角传感器的自校准系统。该系统能够校准不同接口型号的传感器，校准范围宽，校准速度和精度也非常高，正是在这个意义上，该系统具有较高的实用价值和广阔的市场前景。

二、自校准系统的总体设计

本课题将利用计算机控制整个校准过程，工作人员只需填写校准时所需的传感器的必要信息，如产品型号、接口形式、电源电压等信息，填写完毕后，计算机会计算最终的结果，中间的操作过程完全不需要工作人员的参与，全部的计算过程由计算机来完成。因此，要实现这个功能，就需要软件和硬件的支持，以及软件和硬件之间的配合。根据上面的设计思路，倾角传感器自动校准系统的结构框图如图1所示。将传感器固定在三轴转台上，程控电源给倾角传感器供电，通过通信协议精确地控制转台带动倾角传感器转动，通过一个功能电路将一个USB转换成四个串口实现计算机软件测试平台与转台、电源、倾角传感器进行数据通信。

三、自校准系统的硬件设计

由倾角传感器自动校准系统的设计结构可知，上位机需要同时与转台、电源、倾角传感器进行数据通信，但是同一个上位机不能实现上述功能，因此就需要一个功能电路将上位机的一个USB转换成多个串口使用。

上位机通过USB与中继器相连，利用芯片CH340将上位机的USB转换成串口。转换后的串口与主控芯片ATmega128相连，ATmega128通过总线对分处理器ATmega16进行控制，4个分处理器在分别与RS232收发器ADM3251E相连，实现一个串口转换成四个串口。其中中继器的三个串口则分别与三轴转台、待校准传感器、程控电源的RS232串口相连，以实现安装在上位机上的软件同时与转台、电源和传感器进行通信，另一个串口用于扩展。下面将详细介绍中继器的各个模块。

中继器电路包括ATmega128微处理器模块电路、CH340串口转换模块电路、ADM3251 RS-232收发器模块电路、以及有源晶振模块电路。除中继器电路外，还有单独的电源模块。中继器电路的结构框图如图2所示。

1、ATmega128微处理器模块电路

ATmega128作为中继器模块的核心芯片，起着连接软件平台和硬件电路之间的桥梁作用。ATmega128微处理器模块电路图如图3所示。该电路包括复位电路、ISP程序下载电路、晶振电路、电源滤波等。电阻R38和电容C35组成了复位电路，与单片机的20引脚相连；XTAL1、XTAL2两个引脚为时钟电路振荡引脚，应与外接的时钟电路相连，由于本电路采用有源晶振电路提供时钟信号，所以只需要将有源晶振的输出与单片机的24引脚相连即可；单片机的2、3、11、20引脚与ISP下载器相连，组成程序能够下载到单片机的通路，本文所用的ISP下载器为双龙电子AVRISP USB[3]；电容C34、C36、C37、C38 组成了电容滤波电路，保证电源质量；A9-D1～A9-D8为数据总线，A8-CS、A7-CS、A6-CS、A5-CS为片选线。

2、分处理器ATmega16模块设计

为了实现上位机同时与多个串口同时通信，本系统用ATmega128分别控制了4个单独的分处理器，每个分处理器在控制1个ADM3251芯片，每个ADM3251的输出就是标准的RS232接口。

该系统会用到每个分处理器的8根数据线、4根下载线、1根片选线、1根中断线、2根数据传输线，基于此及考虑到性价比的问题[4]，选择ATmega16微处理器作为分处理器。ATmega16微处理器的模块电路图如图4所示。ATmega16微处理器的电路图包括复位电路、时钟电路、ISP程序下载电路以及与主处理器之间的数据通信等。

3、CH340串口转换模块电路

由于所用上位机的USB口有限，若上位机要同时与转台、程控电源、待校准传感器进行通信，就需要一个将USB转换成串口的电路。因此，选择CH340芯片实现USB转串口，电路设计如图5所示。USB的四根引线分别跟电源、地和CH340的两个引脚UD+和UD-相连。为了防止反接以及保证电压质量，在USB的电源处连接了二极管以及电容。由于芯片CH340内部设置了上拉电阻[5]，因此，引脚UD+和UD-可与USB 总线直接相连。

CH340 电路不需要设计外围复位电路，因为芯片内部设置了复位电路。CH340 芯片正常工作条件是外部晶振电路向其时钟信号引脚提供12MHz 的时钟信号。一般情况下，CH340内置的反相器通过晶体稳频振荡会产生时钟信号。因此，再设计外围电路时，只需要连接一个12MHz 的晶体在XI和X 两个引脚之间，同时在两个引脚处对地连接振荡电容。

4、ADM3251 RS-232收发器模块电路

本系统需要三路RS232接口，以便于同时与带校准传感器、转台、程控电源进行通信，所以选用ADI（Analog device, inc）公司推出的RS-232 隔离器ADM3251E，该器件是在iCoupler 和isoPower 磁隔离专利技术的基础上完成的，ADM3251E电路模块设计的电路图如图6所示。

ADM3251E内部含有倍压器和反相器，其中引脚17、18、19、20组成了倍压器，引脚13、14构成了反相器，因此在这些引脚处连接0.1μF电荷泵电容，则该器件就可以连接5V电源为其电路进行供电。引脚8、9分别是接收输出和发射输入，应与相应的微处理器ATmega16的接收输入和发射输出相连。由于ADM3251内部有隔离电源，因此无需外加光耦隔离。

5、有源晶振模块电路

本课题中的一转四串口转换部分需要4个ATmega16微处理器控制，每个分处理器都需要配备时钟震荡电路为其提供时钟信号。因此，本文选择了有源晶振电路为微控制器提供时钟信号，以减少时钟电路的重复性。选择的有源晶振型号是SCO-700，它是大小为11.0592MHz的贴片晶振。有源晶振电路的连接比较简单，电源端需要连接一个0.01μF的电容给电源滤波，输出端需要连接一个100Ω的电阻用于过滤信号。

6、电源模块

在利用自校准系统校准传感器时，需要给传感器提供电压保证其正常工作，才能实现传感器的校准。因此电源的正确选择对测试的成功与否，也起到了关键作用。程控模块电源采用先进的开关电源技术，实现高功率密度输出，精致的设计确保了输出低噪声，是理想的功率电压源、电流源。市场上常见的传感器供电电压多为5V、12V、24V，为了满足对多种传感器的供电电压的要求，需要选择一个宽电压输出的电源，既能满足多种电压的供应需求，又能远程控制电源电压的设置、输出等。本文选用DH1765-1单路程控直流稳压稳流电源。

四、系统软件设计

在自校准系统中，软件是使其正常工作，连接其他功能部件的基础和纽带。自校准系统的软件程序运行于上位机中，该程序是实现本系统自动校准倾角传感器的人机交互接口。该系统软件的主要功能是通过上位机将三轴转台、程控电源、传感器三部分有机地结合在一起，从而实现对转台、电源的控制，对传感器数据采集等一系列自动化过程。总体软件设计流程图，如图7所示。

首先检验电源和转台是否启动，随后启动完毕登录系统软件，进行用户管理、转台、电源、传感器参数设置，设置完毕后进行自校准，输出校准结果和测试报告。

五、校准数据算法

在倾角传感器的自校准系统中，对传感器的校准精度要求很高，因此怎样在大量的数据中计算出最合适的校准数据，来进行补偿，是自校准系统的一个非常重要的环节。为了获得校准数据x就需要知道输入角度与输出角度。假设输入角度为θ，由于存在随机干扰问题[6]，那么所得到的测量角度结果是一个范围[θ0,θ1]。当我们取不同角度θx作为该角度的测量值时，产生的补偿数据θ-θx也就不同，同时补偿后获得的新测量角度的范围也就不相同，即 [(θ0+θ-θx),(θ1+θ-θx)]（补偿前后是同一组测量数据）。此时在输入角度为θ时的最大误差θmax为：

经过推到可知，当θx取时的值为接近真实值的数据。

六、实验验证

1、单轴倾角传感器的校准

单击菜单栏上的自校准设置，在弹出的自校准对话框中填写相应的内容。因为传感器的通信接口为标准的RS232接口，在产品信息栏处，选择型号为RS232类，编号为123456；自校准参数设置中，由于是单轴倾角传感器，所以轴向选择为主轴，步长为5°，测试角度的起始点为-180°，终止点为+180°，停顿时间为3min，转速为10°/s，加速度为10°/s2，校准方式选择为双向校准，界面如图8所示。

参数设置完毕后，单击自校准按钮，系统就会进行传感器的自动校准，此时，转台开始工作，转台转过的角度、传感器检测到的当前角度值会在自校准数据接收框内显示出来。

自校准报告包括两列数据，第一列为转台反馈回来的角度，第二列为校准后传感器测量到的角度。由于测量范围是-180°～+180°，测量的步长为5°，所以报告显示一共73个点。测试完成以后，测试数据会自动保存。那么，单轴360°自校准测试结果的部分数据误差图截图如图9所示。

图9中第一列为转台转过的角度，第二列为传感器测量到的角度，第三列为校准后传感器测量结果的误差。由图中的误差可知，测量结果的最大误差为0.006°，与测量结果只有千分之六的偏差。平均误差为0.003231°，线性度为0.00023°。校准后的测量误差曲线图如图10所示，由纵坐标的数量级可以看出，误差较小，校准以后的精度比较高。

由于转台也可手动转动，因此可用手动校准的方法对传感器进行校准。为了与自动校准形成对比，规定手动校准量程范围为-180°～+180°，测量的步长为5°，一共73个点，手动校准部分的数据误差如图11所示。

由于是手动校准在计算时，如果选取的数据量大，工作人员计算时工作量很大，因此取点比较少。由图11可知，手动校准的数据误差变化的跳跃性比较大，最大误差达到0.035°，平均误差为0.034154°，线性度为0.0017°。手动校准误差曲线图如图12所示，由图可以看到，纵坐标的数量级明显比自动校准的高，误差浮动大，明显比自动校准的误差稍大。

对比自动校准和人工校准，首先，在原始数据的提取上，自动校准由于是计算机按照预定算法进行计算，因此可以大量取值。但是人工校准由于时间和效率的问题，如果取大量数据工作人员的计算量会特别大，因此只能取少量数值，然而这将会影响最后的测量结果。其次，对比最后的校准结果，可以看出自动校准精度可以达到千分之几，人工校准的精度相对来说比较低一点。最后根据结果可知，该系统能够对接口为RS232的单轴倾角传感器进行自校准，可以达到360°的校准范围，校准精度较高。