傾角傳感器自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計

北京信息科技大學(xué) 信息獲取與檢測實驗室，北京 100101

一、引言

角度測量是計量科學(xué)的重要組成部分[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代化的測量傾角的儀器傾角傳感器，被大量地生產(chǎn)出來并應(yīng)用于傾角測量領(lǐng)域。同時，人們對于測量的精確度和準(zhǔn)確度的要求也在不斷提高。在需要批量生產(chǎn)傳感器的場合，傳統(tǒng)的校準(zhǔn)方法由于其成本高、效率低和校準(zhǔn)精度低等原因，顯然已經(jīng)不適合于傾角傳感器的校準(zhǔn)[2]。

針對以上問題，設(shè)計了一套傾角傳感器的自校準(zhǔn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠校準(zhǔn)不同接口型號的傳感器，校準(zhǔn)范圍寬，校準(zhǔn)速度和精度也非常高，正是在這個意義上，該系統(tǒng)具有較高的實用價值和廣闊的市場前景。

二、自校準(zhǔn)系統(tǒng)的總體設(shè)計

本課題將利用計算機控制整個校準(zhǔn)過程，工作人員只需填寫校準(zhǔn)時所需的傳感器的必要信息，如產(chǎn)品型號、接口形式、電源電壓等信息，填寫完畢后，計算機會計算最終的結(jié)果，中間的操作過程完全不需要工作人員的參與，全部的計算過程由計算機來完成。因此，要實現(xiàn)這個功能，就需要軟件和硬件的支持，以及軟件和硬件之間的配合。根據(jù)上面的設(shè)計思路，傾角傳感器自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。將傳感器固定在三軸轉(zhuǎn)臺上，程控電源給傾角傳感器供電，通過通信協(xié)議精確地控制轉(zhuǎn)臺帶動傾角傳感器轉(zhuǎn)動，通過一個功能電路將一個USB轉(zhuǎn)換成四個串口實現(xiàn)計算機軟件測試平臺與轉(zhuǎn)臺、電源、傾角傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

三、自校準(zhǔn)系統(tǒng)的硬件設(shè)計

由傾角傳感器自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)可知，上位機需要同時與轉(zhuǎn)臺、電源、傾角傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，但是同一個上位機不能實現(xiàn)上述功能，因此就需要一個功能電路將上位機的一個USB轉(zhuǎn)換成多個串口使用。

上位機通過USB與中繼器相連，利用芯片CH340將上位機的USB轉(zhuǎn)換成串口。轉(zhuǎn)換后的串口與主控芯片ATmega128相連，ATmega128通過總線對分處理器ATmega16進(jìn)行控制，4個分處理器在分別與RS232收發(fā)器ADM3251E相連，實現(xiàn)一個串口轉(zhuǎn)換成四個串口。其中中繼器的三個串口則分別與三軸轉(zhuǎn)臺、待校準(zhǔn)傳感器、程控電源的RS232串口相連，以實現(xiàn)安裝在上位機上的軟件同時與轉(zhuǎn)臺、電源和傳感器進(jìn)行通信，另一個串口用于擴展。下面將詳細(xì)介紹中繼器的各個模塊。

中繼器電路包括ATmega128微處理器模塊電路、CH340串口轉(zhuǎn)換模塊電路、ADM3251 RS-232收發(fā)器模塊電路、以及有源晶振模塊電路。除中繼器電路外，還有單獨的電源模塊。中繼器電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

1、ATmega128微處理器模塊電路

ATmega128作為中繼器模塊的核心芯片，起著連接軟件平臺和硬件電路之間的橋梁作用。ATmega128微處理器模塊電路圖如圖3所示。該電路包括復(fù)位電路、ISP程序下載電路、晶振電路、電源濾波等。 電阻R38和電容C35組成了復(fù)位電路，與單片機的20引腳相連；XTAL1、XTAL2兩個引腳為時鐘電路振蕩引腳，應(yīng)與外接的時鐘電路相連，由于本電路采用有源晶振電路提供時鐘信號，所以只需要將有源晶振的輸出與單片機的24引腳相連即可；單片機的2、3、11、20引腳與ISP下載器相連，組成程序能夠下載到單片機的通路，本文所用的ISP下載器為雙龍電子AVRISP USB[3]；電容C34、C36、C37、C38 組成了電容濾波電路，保證電源質(zhì)量；A9-D1～A9-D8為數(shù)據(jù)總線，A8-CS、A7-CS、A6-CS、A5-CS為片選線。

2、分處理器ATmega16模塊設(shè)計

為了實現(xiàn)上位機同時與多個串口同時通信，本系統(tǒng)用ATmega128分別控制了4個單獨的分處理器，每個分處理器在控制1個ADM3251芯片，每個ADM3251的輸出就是標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口。

該系統(tǒng)會用到每個分處理器的8根數(shù)據(jù)線、4根下載線、1根片選線、1根中斷線、2根數(shù)據(jù)傳輸線，基于此及考慮到性價比的問題[4]，選擇ATmega16微處理器作為分處理器。ATmega16微處理器的模塊電路圖如圖4所示。ATmega16微處理器的電路圖包括復(fù)位電路、時鐘電路、ISP程序下載電路以及與主處理器之間的數(shù)據(jù)通信等。

3、CH340串口轉(zhuǎn)換模塊電路

由于所用上位機的USB口有限，若上位機要同時與轉(zhuǎn)臺、程控電源、待校準(zhǔn)傳感器進(jìn)行通信，就需要一個將USB轉(zhuǎn)換成串口的電路。因此，選擇CH340芯片實現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口，電路設(shè)計如圖5所示。USB的四根引線分別跟電源、地和CH340的兩個引腳UD+和UD-相連。為了防止反接以及保證電壓質(zhì)量，在USB的電源處連接了二極管以及電容。由于芯片CH340內(nèi)部設(shè)置了上拉電阻[5]，因此，引腳UD+和UD-可與USB 總線直接相連。

CH340 電路不需要設(shè)計外圍復(fù)位電路，因為芯片內(nèi)部設(shè)置了復(fù)位電路。CH340 芯片正常工作條件是外部晶振電路向其時鐘信號引腳提供12MHz 的時鐘信號。一般情況下，CH340內(nèi)置的反相器通過晶體穩(wěn)頻振蕩會產(chǎn)生時鐘信號。因此，再設(shè)計外圍電路時，只需要連接一個12MHz 的晶體在XI和X 兩個引腳之間，同時在兩個引腳處對地連接振蕩電容。

4、ADM3251 RS-232收發(fā)器模塊電路

本系統(tǒng)需要三路RS232接口，以便于同時與帶校準(zhǔn)傳感器、轉(zhuǎn)臺、程控電源進(jìn)行通信，所以選用ADI（Analog device, inc）公司推出的RS-232 隔離器ADM3251E，該器件是在iCoupler 和isoPower 磁隔離專利技術(shù)的基礎(chǔ)上完成的，ADM3251E電路模塊設(shè)計的電路圖如圖6所示。

ADM3251E內(nèi)部含有倍壓器和反相器，其中引腳17、18、19、20組成了倍壓器，引腳13、14構(gòu)成了反相器，因此在這些引腳處連接0.1μF電荷泵電容，則該器件就可以連接5V電源為其電路進(jìn)行供電。引腳8、9分別是接收輸出和發(fā)射輸入，應(yīng)與相應(yīng)的微處理器ATmega16的接收輸入和發(fā)射輸出相連。由于ADM3251內(nèi)部有隔離電源，因此無需外加光耦隔離。

5、有源晶振模塊電路

本課題中的一轉(zhuǎn)四串口轉(zhuǎn)換部分需要4個ATmega16微處理器控制，每個分處理器都需要配備時鐘震蕩電路為其提供時鐘信號。因此，本文選擇了有源晶振電路為微控制器提供時鐘信號，以減少時鐘電路的重復(fù)性。選擇的有源晶振型號是SCO-700，它是大小為11.0592MHz的貼片晶振。有源晶振電路的連接比較簡單，電源端需要連接一個0.01μF的電容給電源濾波，輸出端需要連接一個100Ω的電阻用于過濾信號。

6、電源模塊

在利用自校準(zhǔn)系統(tǒng)校準(zhǔn)傳感器時，需要給傳感器提供電壓保證其正常工作，才能實現(xiàn)傳感器的校準(zhǔn)。因此電源的正確選擇對測試的成功與否，也起到了關(guān)鍵作用。程控模塊電源采用先進(jìn)的開關(guān)電源技術(shù)，實現(xiàn)高功率密度輸出，精致的設(shè)計確保了輸出低噪聲，是理想的功率電壓源、電流源。市場上常見的傳感器供電電壓多為5V、12V、24V，為了滿足對多種傳感器的供電電壓的要求，需要選擇一個寬電壓輸出的電源，既能滿足多種電壓的供應(yīng)需求，又能遠(yuǎn)程控制電源電壓的設(shè)置、輸出等。本文選用DH1765-1單路程控直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計

在自校準(zhǔn)系統(tǒng)中，軟件是使其正常工作，連接其他功能部件的基礎(chǔ)和紐帶。自校準(zhǔn)系統(tǒng)的軟件程序運行于上位機中，該程序是實現(xiàn)本系統(tǒng)自動校準(zhǔn)傾角傳感器的人機交互接口。該系統(tǒng)軟件的主要功能是通過上位機將三軸轉(zhuǎn)臺、程控電源、傳感器三部分有機地結(jié)合在一起，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺、電源的控制，對傳感器數(shù)據(jù)采集等一系列自動化過程?？傮w軟件設(shè)計流程圖，如圖7所示。

首先檢驗電源和轉(zhuǎn)臺是否啟動，隨后啟動完畢登錄系統(tǒng)軟件，進(jìn)行用戶管理、轉(zhuǎn)臺、電源、傳感器參數(shù)設(shè)置，設(shè)置完畢后進(jìn)行自校準(zhǔn)，輸出校準(zhǔn)結(jié)果和測試報告。

五、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)算法

在傾角傳感器的自校準(zhǔn)系統(tǒng)中，對傳感器的校準(zhǔn)精度要求很高，因此怎樣在大量的數(shù)據(jù)中計算出最合適的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，來進(jìn)行補償，是自校準(zhǔn)系統(tǒng)的一個非常重要的環(huán)節(jié)。為了獲得校準(zhǔn)數(shù)據(jù)x就需要知道輸入角度與輸出角度。假設(shè)輸入角度為θ，由于存在隨機干擾問題[6]，那么所得到的測量角度結(jié)果是一個范圍[θ0,θ1]。當(dāng)我們?nèi)〔煌嵌圈葂作為該角度的測量值時，產(chǎn)生的補償數(shù)據(jù)θ-θx也就不同，同時補償后獲得的新測量角度的范圍也就不相同，即 [(θ0+θ-θx),(θ1+θ-θx)]（補償前后是同一組測量數(shù)據(jù)）。此時在輸入角度為θ時的最大誤差θmax為：

經(jīng)過推到可知，當(dāng)θx取時的值為接近真實值的數(shù)據(jù)。

六、實驗驗證

1、單軸傾角傳感器的校準(zhǔn)

單擊菜單欄上的自校準(zhǔn)設(shè)置，在彈出的自校準(zhǔn)對話框中填寫相應(yīng)的內(nèi)容。因為傳感器的通信接口為標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口，在產(chǎn)品信息欄處，選擇型號為RS232類，編號為123456；自校準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置中，由于是單軸傾角傳感器，所以軸向選擇為主軸，步長為5°，測試角度的起始點為-180°，終止點為+180°，停頓時間為3min，轉(zhuǎn)速為10°/s，加速度為10°/s2，校準(zhǔn)方式選擇為雙向校準(zhǔn)，界面如圖8所示。

參數(shù)設(shè)置完畢后，單擊自校準(zhǔn)按鈕，系統(tǒng)就會進(jìn)行傳感器的自動校準(zhǔn)，此時，轉(zhuǎn)臺開始工作，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過的角度、傳感器檢測到的當(dāng)前角度值會在自校準(zhǔn)數(shù)據(jù)接收框內(nèi)顯示出來。

自校準(zhǔn)報告包括兩列數(shù)據(jù)，第一列為轉(zhuǎn)臺反饋回來的角度，第二列為校準(zhǔn)后傳感器測量到的角度。由于測量范圍是-180°～+180°，測量的步長為5°，所以報告顯示一共73個點。測試完成以后，測試數(shù)據(jù)會自動保存。那么，單軸360°自校準(zhǔn)測試結(jié)果的部分?jǐn)?shù)據(jù)誤差圖截圖如圖9所示。

圖9中第一列為轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過的角度，第二列為傳感器測量到的角度，第三列為校準(zhǔn)后傳感器測量結(jié)果的誤差。由圖中的誤差可知，測量結(jié)果的最大誤差為0.006°，與測量結(jié)果只有千分之六的偏差。平均誤差為0.003231°，線性度為0.00023°。校準(zhǔn)后的測量誤差曲線圖如圖10所示，由縱坐標(biāo)的數(shù)量級可以看出，誤差較小，校準(zhǔn)以后的精度比較高。

由于轉(zhuǎn)臺也可手動轉(zhuǎn)動，因此可用手動校準(zhǔn)的方法對傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。為了與自動校準(zhǔn)形成對比，規(guī)定手動校準(zhǔn)量程范圍為-180°～+180°，測量的步長為5°，一共73個點，手動校準(zhǔn)部分的數(shù)據(jù)誤差如圖11所示。

由于是手動校準(zhǔn)在計算時，如果選取的數(shù)據(jù)量大，工作人員計算時工作量很大，因此取點比較少。由圖11可知，手動校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)誤差變化的跳躍性比較大，最大誤差達(dá)到0.035°，平均誤差為0.034154°，線性度為0.0017°。手動校準(zhǔn)誤差曲線圖如圖12所示，由圖可以看到，縱坐標(biāo)的數(shù)量級明顯比自動校準(zhǔn)的高，誤差浮動大，明顯比自動校準(zhǔn)的誤差稍大。

對比自動校準(zhǔn)和人工校準(zhǔn)，首先，在原始數(shù)據(jù)的提取上，自動校準(zhǔn)由于是計算機按照預(yù)定算法進(jìn)行計算，因此可以大量取值。但是人工校準(zhǔn)由于時間和效率的問題，如果取大量數(shù)據(jù)工作人員的計算量會特別大，因此只能取少量數(shù)值，然而這將會影響最后的測量結(jié)果。其次，對比最后的校準(zhǔn)結(jié)果，可以看出自動校準(zhǔn)精度可以達(dá)到千分之幾，人工校準(zhǔn)的精度相對來說比較低一點。最后根據(jù)結(jié)果可知，該系統(tǒng)能夠?qū)涌跒镽S232的單軸傾角傳感器進(jìn)行自校準(zhǔn)，可以達(dá)到360°的校準(zhǔn)范圍，校準(zhǔn)精度較高。

六、結(jié)論

本系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌涌?、不同型號的傳感器進(jìn)行全方位的測量以及高精度的校準(zhǔn)，將校準(zhǔn)和測試合為一體，既減少了工序，又縮短了校準(zhǔn)時間，大大地提高了校準(zhǔn)效率和校準(zhǔn)精度，具有非常高的實用價值。