殷希梅，楊 維，程洪濤

(1解放軍陸軍軍官學院，合肥230031;2總裝駐襄陽地區(qū)軍事代表室，湖北襄陽441021)

0 引言

隨著精確制導等各種信息化、智能化炮彈的發(fā)展，對炮彈在飛行過程中各種參數(shù)測試的要求也越來越高，同時要求測量器件具有體積小、功耗低、響應速度快及抗高過載能力。目前，對于飛行中的彈丸的高度測量主要是采用 GPS，這種方式方便、直接，而且GPS具有體積小、價格低等優(yōu)點，但是GPS高程信息準確度，尤其在近地面時準確度相對較差，而且其安全性也可能受它國影響而不能得到保障，因此不能完全依賴GPS提供高度信息。無線電測高和激光測高也是常見的彈上測高方式，雖然精度較好，但成本相對較高，目前主要應用于彈道導彈[1]。

針對上述情況，提出了一種基于數(shù)字氣壓傳感器BMP085的高度測量方法，設計了具有溫度補償和校正功能的高精度高度測量系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設計

彈上高度測量系統(tǒng)主要由彈載高度傳感器和地面站上位機組成，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。其中彈載高度傳感器主要有4部分:1)ATmega16微控制器單元;2)BMP085氣壓采集單元;3)AT24C256存儲單元;4)電源模塊。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)工作時，微控制器ATmega16通過模擬I2C接口與BMP085實現(xiàn)通信，獲取測點的溫度和經(jīng)過溫度補償?shù)膲毫χ担缓蟛捎肁T24C256存儲器對溫度、壓力數(shù)據(jù)進行非易失實時存儲，并將壓力、溫度數(shù)據(jù)通過彈載無線傳輸模塊實時傳輸?shù)降孛嬲?。地面站接收?shù)據(jù)后，上位機根據(jù)壓力與高度的轉(zhuǎn)換關(guān)系，求得在該氣壓下相對應的高度值，并對測量高度值進行補償修正，分析統(tǒng)計后存儲。

由于在彈體的飛行過程中，彈上電路系統(tǒng)要承受高速、高過載、高沖擊的惡劣環(huán)境。因此，為提高電路系統(tǒng)的抗過載能力，對印制電路板采用雙層設計，所有電子元器件選用貼片式、小封裝，并在裝配時對系統(tǒng)電路板進行固體灌封處理[2]。

2 硬件設計

2.1 芯片的選擇

為了滿足系統(tǒng)抗高過載的要求，采用德國BOSCH公司基于MEMS的BMP085氣壓傳感器[3]。BMP085是一款高精度、超低功耗數(shù)字氣壓傳感器，具有體積小(5.0mm*5.0mm*1.2mm)、穩(wěn)定性好、低電壓(1.8～3.6V)、低功耗(在標準模式下工作電流5μA、待機電流小于 0.1μA)等特點。采用 8-pin無鉛陶瓷載體超薄封裝(LCC)，其壓力測量范圍為30～110kPa(相當于海拔 －500～9000m)，絕對精度可以達到0.03hPa(0.25m)，溫度測量范圍為 －40℃ ～+85℃，反應時間7.5ms，使用 I2C接口與微處理器通信。與其它數(shù)字氣壓傳感器相比，BMP085可抗高過載。

考慮到彈丸飛行時間短(一般小于2min)，測得的壓力、溫度數(shù)據(jù)量小。采用 ATMEL公司的AT24C256存儲器對測得的壓力、溫度數(shù)據(jù)作非易失實時存儲。AT24C256是兩線制串行E2PROM芯片，共有256kbit的存儲容量。具有結(jié)構(gòu)緊湊、存儲容量大等特點，芯片與單片機之間使用I2C接口通信，接口電路簡單，操作方便[4]。

2.2 接口電路設計

ATmega16與BMP085和AT24C256的硬件連接圖如圖2所示。圖中BMP085的SCL、SDA引腳分別與ATmega16的模擬 I2C接口 PD3、PD4相連，而AT24C256存儲器的 SCL、SDA引腳則直接與ATmega16自帶的兩線串行接口TWI(I2C)連接。微控制器ATmega16的主時鐘(11.0592M)由外部晶振產(chǎn)生，BMP085無需外部時鐘電路，其串行時鐘信號SCL由ATmega16的I/O口PD3模擬產(chǎn)生。同時，按照I2C協(xié)議的接線要求，對BMP085和AT24C256的串行時鐘線SCL和串行數(shù)據(jù)線SDA接上拉電阻[5]。溫度、壓力打包數(shù)據(jù)通過ATmega16的串行輸出口TXD輸出。接口電路原理圖如圖2所示。

圖2 接口電路原理圖

3 軟件設計

3.1 彈載部分軟件設計

每個BMP085在出廠時都有一個針對模塊特有的11個校準數(shù)據(jù)，儲存在176位的E2PROM中。軟件設計時，微控制器ATmega16在初始化以后，通過模擬的I2C接口從BMP085的E2PROM中讀出校準數(shù)據(jù)(AC1 ～ AC6、B1、B2、MB、MC、MD)，然后循環(huán)讀取未得到補償?shù)臏囟戎礥T和壓力值UP，再按圖3所示的算法，計算出實際溫度T和補償后的壓力p。最后，將得到的實際溫度和壓力數(shù)據(jù)打包處理，存入AT24C256存儲器中，并將打包數(shù)據(jù)以50Hz的速率從ATmega16的TXD串口輸出給彈載無線傳輸模塊。測得的溫度、壓力數(shù)據(jù)通過彈載無線傳輸模塊實時傳輸?shù)降孛嬲尽?/p>

圖3 主程序流程圖和補償算法

為了減少數(shù)據(jù)量，打包后的數(shù)據(jù)和串口輸出格式采用BCD碼格式，輸出內(nèi)容包括:符號信息、溫度數(shù)據(jù)、壓力數(shù)據(jù)。輸出格式采用固定長度，每9個字節(jié)(Byte)為一組數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)輸出格式

例如，當前溫度為 +23.1°，氣壓為 101385Pa，數(shù)據(jù)輸出如下:

TT ZZ 02 31 PP 10 13 85 0A

3.2 地面站上位機軟件設計

3.2.1 壓力 －高度轉(zhuǎn)換及誤差修正原理

根據(jù)氣壓測高原理，在標準大氣條件下，載體所在處重力勢高度(即標準氣壓高度)H與氣壓p之間的關(guān)系如下式:

其中:R=287.05287m2/(s2·K)，代表空氣專用氣體常數(shù);g表示自由落體加速度;β表示溫度的垂直變化率，高度在 0 ～ 11km 時，β = － 0.0065K/m，T0、p0、H0分別為參考平面的溫度、壓力和高度，標準大氣條件下，平均海平面處取如下值:p0=101.325kPa，T0=288.15K，H0為平均海平面的高度，規(guī)定為0m。

然而，以上關(guān)系式只有在實際大氣條件符合標準大氣各項規(guī)定的前提下才能成立，但是一般情況下實際大氣條件并不能滿足標準大氣的要求，尤其是在載體處于高速飛行的情況下，因此若按式(1)計算載體真實高度會產(chǎn)生較大的誤差，這種誤差是由于測量原理方法上不完善造成的，稱為“原理誤差”。為了減少這種誤差，可以考慮在測點附近(20km以內(nèi))尋找一個高度已知的參考點，通過該參考點的已知高度、溫度以及壓力數(shù)據(jù)對測量高度值進行修正，補償氣象環(huán)境變化對測點高度測量結(jié)果的影響，提高高度測量的準確性[6]。

因此，在地面站上位機軟件實現(xiàn)部分，采用文獻[6]給出的高度修正計算公式:

其中:H為測點的待求高度;p為測點壓力;Ta、pa、Ha分別為參考點的溫度、壓力和重力勢高度。

3.2.2 上位機軟件實現(xiàn)

圖4 上位機軟件流程圖

上位機軟件功能模塊主要包括:數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計存儲模塊和數(shù)據(jù)圖形化模塊。軟件流程圖如圖4所示。軟件設計以循環(huán)作為主體，基本工作流程:先讀入已知參考點的高度、溫度、壓力數(shù)據(jù)和接收的測點實時壓力、溫度值，再按式(1)和式(2)解算測點高度，最后對解算的高度數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、存儲和圖形化處理。

4 實驗及結(jié)果分析

彈上高度測量系統(tǒng)的彈載高度傳感器樣機如圖5所示，樣機功耗小于0.5W，輸出頻率為50Hz。

4.1 實驗測試

圖5 彈載高度傳感器樣機

為驗證彈載高度傳感器及整個系統(tǒng)的性能，進行了3種地面靜態(tài)實驗。

4.1.1 錘擊試驗

為檢驗經(jīng)過固體灌封處理后，樣機的抗過載能力，在沖擊試驗臺分別對3塊樣機進行了5000g、10000g和15000g的沖擊試驗。試驗后對樣機進行測試，3塊樣機均能正常工作。試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠承受高達15000g的沖擊過載。

4.1.2 絕對高度的測量

以合肥氣象站(海拔27 m)為參考點，在距其約15 km的合肥市區(qū)某處，不同時間段測量某已知高程控制點的高度，所得結(jié)果如表2所示。

表2 絕對高度的測量

4.1.3 相對高度的測量

在一高層建筑內(nèi)，測量并記錄地面和5樓的高度(每次測量50組數(shù)據(jù)，取平均值)，測得地面的高度為24.29m，5樓的高度為40.11m。已知地面到5樓的實際高度為15m，通過測量的高度值可以得到地面到5樓的高度為15.82m，與實際高度僅相差0.82m。

4.2 結(jié)果分析

實驗測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠承受高達15000g的沖擊過載，具有抗高過載能力;修正后的絕對高度測量誤差在5m以內(nèi)，相對高度測量誤差小于1m，完全達到高精確測量的要求。而且，從實測數(shù)據(jù)分析可以看出，該系統(tǒng)還具有如下特性:在較短的測量時間內(nèi)(5min以內(nèi))，系統(tǒng)具有很好的準確性、穩(wěn)定性，很適合彈上高度測量;相對高度的測量具有很高的準確性。

5 結(jié)束語

對于彈丸飛行高度的測量，文中設計了一種具有溫度補償和校正功能的高精度高度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)體積小、功耗低、響應速度快、能抗高過載。通過地面靜態(tài)實驗表明，系統(tǒng)完全可以達到高精確測量的要求，可以應用于彈上高度測量。并且該系統(tǒng)在較短的測量時間內(nèi)具有很好的準確性、穩(wěn)定性，以及相對高度測量具有很高的準確性，上述特性可為高度傳感器與GPS構(gòu)建組合測高系統(tǒng)以及組合系統(tǒng)融合算法的研究提供新的解決思路。

[1]同鳴.精確定高技術(shù)在常規(guī)彈引信上的應用[J].現(xiàn)代引信，1994(4):49－51.

[2]呂彩琴，翟成瑞.高過載測試中的電子線路灌封技術(shù)研究[J].機械工程與自動化，2009(5):91－94.

[3]Bosch.BMP085 用戶手冊[OL].http://www.bosch-sensortec.com.

[4]周巧娣，劉敬彪.AT24C256在單片機系統(tǒng)中的應用[J].國外電子元器件，2003(2):27－29.

[5]李曉鋒.AVR單片機原理與應用[M].北京:北京理工大學出版社，2010.

[6]趙天成，饒和昌.一種基于MS5803和氣象數(shù)據(jù)的高度測量方法[J].電子設計工程，2011，19(14):44－47.