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(多图) 基于SOC的高精度倾角测量系统的设计

电子设计工程 余小平 庹先国 王洪辉?? 2011年03月16日 ?? 收藏0

  2 信号的数学处理

  2.1 ADC精度控制

  C8051F350内部有具有2个独立的抽取滤波器(SINC3滤波器和快速滤波器)和1个可编程增益放大器。根据参考文献SINC3滤波器RMS噪声小,精度高,缺点是输出速率较低,而快速滤波器则相反。本设计对速率要求低,而对精度要求高,因此选用SINC3滤波器。SINC3滤波器典型RMS噪声如表1所示。

SINC3滤波器典型RMS噪声

  从表1可知,较高的抽取比需要较长的转换周期,即输出字速率较低,但具有较低噪声。

  根据参考文献,采用SINC3滤波器时,该模/数转换器的实际分辨率为:

公式

  根据实际分辨率的公式(1)可知,当抽取比为1 920,输出字速率为10 Hz时,根据实际分辨率的公式(1)可得到实际分辨率约为20.00位。

  SCA100T传感器的灵敏度为70mV/(°),分辨率为0.0025°,ADC参考电压VREF为2.5V,则需要能检测的最小信号为0.0025°x70mV/°= 0.175 mV,根据0.175 mV/2.5 V="1"/14 286可知,ADC的位数至少应为14位,即214=16 384>14 286,根据减额设计要求,取20位,所以本设计完全满足设计要求。

  2.2 温度补偿

  根据参考文献,SCA100T-D01的温度误差曲线如图6所示。

SCA100T-D01的温度误差曲线

  通过曲线拟合,其曲线方程为:

公式

  在信号通过模数转换器采集后,转换为角度输出时,根据实时采集的倾角传感器SCA100T处的温度值,就可以根据温度补偿曲线补偿相应的角度值,将温度对倾角测量的影响降到最低。

  2.3 曲线拟合

  由于SCA100T系列传感器输出与倾斜角度存在非线性关系(非线性误差在测量范围内为0.11°),这样不利于分析处理测量结果。因此必须采取相应的线性化措施,以补偿传感器引入的非线性。传统方法中多数采用硬件方法,实现方法比较复杂,且稳定性和可靠性难以控制。

  由于SCA100T系列传感器的非线性特性是已知的,则可以利用相应的校正函数进行补偿。由于微处理器具有很强的函数运算与数据处理能力,用编程的方法可以很容易实现所需的校正函数。本设计采用SOC通过软件编程的方法修正非线性。

  在设计时,将SCA100T-D01传感器的测量范围进行进一步细分,如将倾角为3°的这段曲线划分为2.5°~3.5°,并将拟合曲线修改为下式:

公式

  式中,XIN为模数转换器输出值经内部SINC3滤波器滤波后得到的采样值,TER为SCA100T传感器的实时温度补偿值,PI为圆周率。

  上式既修正了传感器输出的非线性,又修正了温度对传感器的影响。

  3 实测数据

  该倾角测量系统在MC019-JJ2数字式2"光学分度头标准仪器上进行了分度和性能测试。MC019-JJ2数字式2"光学分度头是一种对装夹在其主轴上的工件进行角度分度或进行角度检验的精密光学计量仪器,其显示当量为1"。测试数据如表2所示。

测试数据

  从表2的测试数据可知,每个测试点的偏差有正有负,其主要原因在于这些测试点的曲线拟合是独立的,互不影响。另外,在30°时绝对误差最大,最大的绝对误差为0.0044°,在1°时相对误差最大,为0.001 8/1≈0.018%。

  4 结束语

  本文采用MEMS倾角传感器SCA100T的模拟接口为输出,采用其数字接口实现温度补偿,同时采用基准源和运放驱动作为传感器的电源,提高了传感器输出的精度和稳定性;信号处理时,采用低漂移运放处理电路和差分模数转换电路,有效提高了信号的信噪比和共模抑制比;采用正弦曲线拟合,有效改善了信号输出的线性度。经过以上多方面信号处理和优化,在测量范围内系统最大绝对误差为0.004 4°。并且系统集成度较高,体积小,成本低,可以满足地质石油勘探、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应用。


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