基于单片机的高精度倾角测量系统的设计

在地质石油勘探、设备安装、道路桥梁建设等工程应用以及机器人控制、坦克和舰船火炮平台控制、飞机姿态控制等系统的自动水平调节中，都需要高精度的倾角测量。但高精度的倾角，测量设备通常体积较大，成本高，使许多工程应用受到限制。本文从倾角的高精度测量出发，着重介绍了倾角传感器输出稳定性处理、温度补偿、非线性处理(正弦曲线拟合)、信号调理及其测量电路的特殊处理等。1 倾角测量系统的硬件设计 倾角测量系统硬件部分主要由MEMS传感器(含双轴倾角传感器和温度传感器)、SOC电路、数据处理及传输和其他辅助电路等模块组成。倾角测量系统的组成框图如图1所示。

1．1 MEMS倾角传感器接口 MEMS倾角传感器采用芬兰VTI Technologies公司的SCA100T系列中的SCA100T-D01，测量范围为±30°。SCA100T系列是采用微机电系统(MEMS)技术制造的一款高分辨率双轴倾角传感器。SCA100T-D01数字输出分辨率为0．035°／LSB，模拟输出分辨率为0．002 5°。模拟输出的分辨率大大高于数字输出的分辨率，故本设计采用其模拟输出。模拟输出将涉及较为复杂的模拟信号处理，如果模拟信号处理不当，系统的分辨率和精度将大打折扣，有时甚至还不如数字输出。采用合理的模拟信号处理电路是保证系统精度的方法之一。
SCA100T-D01内置温度传感器，可以通过其自带的SPI数字接口读取温度值，并在处理器中进行相应的温度补偿。这是保证系统精度的又一方法。1．2 阻抗匹配及放大 SCA100T-D01输出阻抗为10 KΩ，为保证MEMS倾角传感器SCA100T-D01输出的信号有效地传递，即要求衰减最小，设计中采用了具有高输入阻抗的场效应管型运放TL081设计了阻抗匹配电路，采用同相输入，以提高输入阻抗。
信号放大电路采用ICL7653斩波稳零运算放大器来完成，如图2所示。ICL7653具有极低的失调电压和偏置电流，具有较高的工作稳定性和优良的高精度放大功能。ICL7653斩波稳零使用内部时钟时，在CA、CB与CR端之间加上0．1 ΜF的低泄放、高稳定性的聚酯或聚丙烯电容。同时在双电源接入端进行滤波和去耦处理。

1．3 差分转换及驱动 如图3所示，差分转换电路以AD8138AR为核心，将单端信号转换差分信号，既可以提高共模抑制比，有效减小共模信号影响，又可以驱动SOC内部的24位差分Sigma-Delta模／数转换器。AD8138AR具有较宽的模拟带宽(320 MHz，-3 DB。增益为1时)，而且AD8138AR为表面封装器件，器件体积小，使得ADC与信号输入点的距离可以很近，大大减少了外界噪声的影响。