基于MEMS的双轴高精度测斜仪设计

2018-12-26程远超张燕琴

导弹与航天运载技术 2018年6期

程远超，黄伟，张燕琴，仇斌

（北京航天控制仪器研究所，北京，100039）

0 引言

角度测量广泛应用于民用、航空航天及航海等各种领域，对中国国防建设以及科学技术研究起至关重要的作用[1～5]。但随着测量要求的不断提高，在很多应用现场，现有的角度测量仪器由于其测量范围、使用范围、精度、功耗以及体积等方面，已渐渐无法满足测量要求。MEMS高精度角度传感器SCA103T以其启动快、功耗低、可靠性高、精度高、易于实现数字化和智能化而应用于各种倾斜角度检测系统中[6～8]。

本文设计的测斜仪采用了高精度倾角传感器SCA103T、AD7734、ARM STM32F103以及RS232通信线组成硬件结构，经软件补偿精度达到±0.005°，同时通过上位机软件对该倾角测量仪进行数据采集。

1 测斜仪工作原理

采用2个VTI高精度单轴MEMS倾角传感器芯片SCA103T-05D，传感器有两个模拟输出差分信号和一个数字 SPI接口以提供直接信号处理。其中信号差分带来非常显著的优点：高校准精度，低温度漂移，高分辨率、高灵敏度及低噪声。通过倾角传感器SCA103T感应轴上的重力加速度输出的两个差分信号，经过计算可以转换得到被测设备的倾斜角度，其测量原理如图1所示。

图1 SCA103T倾角传感器角度测量原理Fig.1 Diagram of Angle Measurement Principle of Inclinometer Sensor SCA103T

传感器输出与倾斜角度α有以下关系：

式中 α为传感器倾斜角度，即被测倾斜角度； Vout1、Vout2为传感器输出的差分电压大小；Voffset为传感器的零偏； k1为倾角传感器SCA103T标度因数：16 V/g。

由以上电压和角度对应关系实现了角度信息的测量，它是以重力为输入矢量在空间的状态为基准，进而反应出被测设备的角度。把测斜仪固定在设备的表面，当设备沿某一轴有角度改变时，测斜仪的敏感轴也随之转动一定角度，由于重力的作用，测斜仪对应该敏感轴上的加速度会发生改变，进而输出的差分电压也会发生变化，因此可以根据MEMS倾角传感器输出信息的变化来反映被测设备或物体的角度偏转。

2 硬件实现

该高精度双轴测斜仪硬件系统由SCA103T-05D及外围电路、滤波电路、AD采集电路、STM32F103及其外围电路、数据通信电路等组成。其硬件系统框图见图2。

图2 电路系统Fig.2 Block Diagram of Circuit System

该双轴测斜仪采用+12 V供电，通过LDO将12 V转化成5 V、3.3 V、2.5 V等各模块所需的电压值；MEMS传感器的测量角度为±30°，当传感器在相应敏感轴方向有角度变化时，输出的差分电压会对应变化，再经过调理电路中的滤波电路，送给ADC，ADC采集到的电压输入范围为 0～5 V，处理器再通过控制ADC进行相应角度解算。

为了保证整个系统的测量精度，A/D使用AD公司的AD7734。该A/D具有24-bit高分辨率，输入电压范围可以设置为+5 V、±5 V、+10 V、±10 V，供电电压为5 V，采用SPI通信，可以同时采集4路信号，已成功用于多个工程项目，技术比较成熟。本文所提到的高精度双轴测斜仪系统仅需要同时采集两只倾角传感器的差分输出信号。因采集到的电压范围为0～5 V左右，故在程序AD初始化中，将AD的采样输入电压范围设置为+5 V。

STM32F103内核是32-bit Cortex-M3处理器，最大时钟频率可以达到72 MHz，拥有足够的外设资源，包括2个16-bit看门狗定时器、定时器、2个SPI，2个I2C以及3个串行通信模块等，芯片价格低、功耗低、外设资源足够、处理速度快，满足使用要求。

3 软件实现

3.1 程序流程

程序设计包括 SPI通信、数据处理、串口通信、定时等。测斜仪加电后自动开始工作，首先STM32F103对使用到的各个片上资源及外部被控制器件进行配置，然后主函数不断循环采集、滤波、计算、补偿、滤波，直到定时中断发生，该中断在串口中断服务子程序中实现，中断完成后再返回主函数，不断循环采集处理、中断、发送，其软件系统流程如图3所示。