張金燕 ，劉高平 ，楊如祥

（1.浙江萬(wàn)里學(xué)院 EDA重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 寧波315100；2.寧波昊華智能科技有限公司，浙江 寧波315040）

近年來(lái)，全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)在定位領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在GPS信號(hào)接收狀況良好時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)全球范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)定位，但是在封閉的高樓內(nèi)以及高架橋下等環(huán)境中，GPS衛(wèi)星的信號(hào)容易被遮擋，導(dǎo)致定位精度大大降低[1-2]。隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，利用基于微機(jī)電系統(tǒng)MEMS(Micro Electromechanical System)技術(shù)的傳感器實(shí)現(xiàn)高度測(cè)算已經(jīng)成為一種研究趨勢(shì)，采用這種方法可以彌補(bǔ)GPS定位時(shí)信號(hào)被遮擋的缺點(diǎn)。本文提出了一種基于BMP085數(shù)字氣壓傳感器的高度測(cè)量方法，設(shè)計(jì)了一種通過(guò)STM32F103RCT6微處理器控制的高度測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有體積小、精度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于室內(nèi)外導(dǎo)航、天氣預(yù)測(cè)、飛行高度測(cè)量等多種場(chǎng)合。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件由BMP085氣壓傳感器模塊、STM32F103-RCT6微處理器、電源等部分組成。BMP085氣壓傳感器模塊通過(guò)I2C(Inter-Integrated Circuit)總線將未經(jīng)補(bǔ)償?shù)臍鈮褐岛蜏囟戎祩魉徒oSTM32F103RCT6微處理器，微處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償后，再將氣壓、高度等數(shù)據(jù)通過(guò)串口輸出到PC上，并在PC上顯示。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

1.1 BMP085數(shù)字氣壓傳感器

BMP085是德國(guó)BOSCH公司生產(chǎn)的一款低功耗、高精度的MEMS數(shù)字氣壓傳感器。BMP085的供電電壓為1.8 V～3.6 V，典型值為2.5 V。它由電阻式壓力傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器和帶有E2PROM的控制單元組成，控制單元通過(guò)I2C總線與移動(dòng)設(shè)備的微處理器連接[3]。E2PROM中存儲(chǔ)了11個(gè)校準(zhǔn)參數(shù)，這11個(gè)校準(zhǔn)參數(shù)涉及到參考溫度下的零點(diǎn)漂移、零點(diǎn)漂移的溫度系數(shù)以及靈敏度的溫度系數(shù)等[4]，用于對(duì)氣壓值進(jìn)行溫度補(bǔ)償。BMP085的氣壓測(cè)量范圍為 300 hPa～1100 hPa(海拔高度-500 m～9 000 m)，溫度測(cè)量范圍為-40℃～+85℃。在低功耗模式下，BMP085精度為0.06 hPa(0.5 m)，在高精度模式下其精度可以達(dá)到 0.03 hPa(0.25 m)，轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)到 128次/s，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)速度和精度的要求。

1.2 接口電路設(shè)計(jì)

STM32F103RCT6是一款基于32位ARM CortexTM-M3 RISC內(nèi)核的增強(qiáng)型微控制器[5]，包含2個(gè)I2C接口，便于與外圍設(shè)備之間進(jìn)行通信，其中I2C1的串行數(shù)據(jù)(SDA)線和串行時(shí)鐘(SCL)線對(duì)應(yīng)的引腳分別為 PB6、PB7，而I2C2的SDA和 SCL對(duì)應(yīng)的引腳分別為 PB10、PB11。本系統(tǒng)采用I2C1接口進(jìn)行通信，BMP085的SCL和SDA分別與STM32F103RCT6的 PB6、PB7引腳相連。STM32F103-RCT6微處理器采用8 MHz的外部晶振，通過(guò)鎖相環(huán)產(chǎn)生最大的72 MHz主時(shí)鐘頻率。另外，一般具有I2C總線的器件其SDA和SCL管腳都是漏極開(kāi)路(或集電極開(kāi)路)輸出結(jié)構(gòu)，因此實(shí)際使用時(shí)，SDA和SCL信號(hào)線都必須加上拉電阻Rp(Pull-Up Resistor)，上拉電阻一般取值為3 kΩ～10 kΩ，本系統(tǒng)采用 4.7 kΩ的上拉電阻。

同時(shí)，測(cè)量所得的氣壓和高度等數(shù)據(jù)通過(guò)USART1串口輸出到PC。BMP085與STM32F103RCT6的接口電路連接如圖2所示，圖中U1為電壓轉(zhuǎn)換芯片，將5 V電壓轉(zhuǎn)換為 3.3 V電壓，U2為氣壓傳感器 BMP085，U3為SP3232電平轉(zhuǎn)換芯片，通過(guò)串行端口(COM)與PC機(jī)相連，U4為本系統(tǒng)的核心芯片STM32F103RCT6微處理器。

圖2 接口電路原理圖

2 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括系統(tǒng)時(shí)鐘(RCC)配置、中斷向量(NVIC)配置、GPIO配置、USART串口配置以及I2C接口初始化。接著從BMP085的E2PROM中讀取11個(gè)校準(zhǔn)參數(shù)。然后每隔10 ms從寄存器中讀取未經(jīng)補(bǔ)償?shù)臏囟群蜌鈮褐?，用校?zhǔn)參數(shù)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，并采用線性插值法計(jì)算海拔高度，再將溫度、氣壓、高度等數(shù)據(jù)一起傳送給 PC，并在PC上顯示一行數(shù)據(jù)。

圖3 單片機(jī)軟件流程圖

下面對(duì)I2C讀寫(xiě)方式、數(shù)據(jù)補(bǔ)償以及線性插值法計(jì)算海拔高度部分進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

2.1 硬件方式實(shí)現(xiàn)I2C接口

本系統(tǒng)的BMP085和STM32F103RCT6之間通過(guò)I2C總線進(jìn)行通信。I2C接口有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種是使用I/O口模擬I2C接口，另外一種是硬件中斷方式。本系統(tǒng)采用硬件方式實(shí)現(xiàn)I2C接口通信。雖然硬件實(shí)現(xiàn)I2C接口較復(fù)雜，但是相對(duì)于用I/O口模擬I2C接口的方法，硬件I2C方式在實(shí)時(shí)性和傳輸速度上有很大的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)I2C口進(jìn)行初始化時(shí)，配置I2C為7位地址模式，時(shí)鐘頻率為100 kHz，開(kāi)啟IT_ERR、IT_EVT和IT_BUF中斷。在產(chǎn)生 I2C起始位后，第一個(gè)字節(jié)由7位的傳輸?shù)刂泛?位的數(shù)據(jù)方向位組成。數(shù)據(jù)方向位為“1”表示主接收模式(主機(jī)請(qǐng)求從機(jī)數(shù)據(jù))，為“0”表示主傳輸模式(主機(jī)向從機(jī)輸出數(shù)據(jù))[5]。當(dāng)采用單字節(jié)讀寫(xiě)方式時(shí)，主傳輸模式與主接收模式序列圖分別如圖4、圖5所示。圖中S為起始條件，P為停止條件，A為應(yīng)答，NA為非應(yīng)答；EV5表示已發(fā)送起始條件，EV6_1表示從機(jī)地址已發(fā)送，EV6_2表示收到匹配的地址數(shù)據(jù)，EV7表示收到數(shù)據(jù)，EV8表示數(shù)據(jù)已發(fā)送。

圖4 主傳輸模式序列圖

圖5 主接收模式序列圖

2.2 數(shù)據(jù)補(bǔ)償

由于海拔高度和大氣壓強(qiáng)的關(guān)系受溫度的影響，因此需要用溫度值對(duì)氣壓值進(jìn)行補(bǔ)償。BMP085氣壓傳感器的E2PROM中有原廠自帶的11個(gè)校準(zhǔn)參數(shù)，每一個(gè)傳感器的校準(zhǔn)參數(shù)都不同。在第一次讀取氣壓和溫度值之前，必須先讀取E2PROM中的校準(zhǔn)參數(shù)，再?gòu)闹付ǖ募拇嫫髦袑⑽唇?jīng)補(bǔ)償?shù)臏囟群蜌鈮褐底x取出來(lái)，然后采用BMP085數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的補(bǔ)償算法對(duì)溫度值和氣壓值進(jìn)行補(bǔ)償。該算法中，需要根據(jù)所設(shè)置的過(guò)采樣參數(shù)OSS(Oversampling Setting)的值來(lái)選擇BMP085的工作模式，OSS的值決定了測(cè)量精度和轉(zhuǎn)換時(shí)間，BMP085的 4種工作模式如表1所示[3]。本系統(tǒng)的單片機(jī)軟件中將OSS的值設(shè)置為“0”，即選擇低功耗工作模式。

表1 BMP085工作模式

2.3 氣壓-高度轉(zhuǎn)換

2.3.1 大氣壓強(qiáng)與海拔高度的關(guān)系

假設(shè)空氣為理想標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)，則大氣壓強(qiáng)與海拔高度有如下的關(guān)系[6]：

其中，Ps為大氣靜壓，即BMP085測(cè)量出來(lái)的氣壓值，Pb為海平面氣壓（相應(yīng)層下界氣壓），Hb為海平面高度（相應(yīng)層下界高度），R為氣體常數(shù)，gn為自由落體標(biāo)準(zhǔn)加速度，Tb為相應(yīng)層大氣溫度，r為地球半徑。這些參數(shù)的取值如下：Pb=101 325 Pa，Hb=0，R=287.052 87 m2/k·s2，gn=9.806 65 m/s2，Tb=288 K=15℃，r=6 356 766 m。H表示重力勢(shì)高度，h表示幾何高度，即海拔高度。由此可見(jiàn)，通過(guò)測(cè)量大氣靜壓Ps即可計(jì)算出海拔高度h。

BMP085氣壓傳感器數(shù)據(jù)手冊(cè)提供了大氣壓強(qiáng)與海拔高度關(guān)系的公式，當(dāng)海拔高度范圍為0～11 000 m時(shí)，高度計(jì)算公式為[3]：

其中Altitude表示海拔高度，以m為單位，p為經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的氣壓值，p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即p0=101 325 Pa。從式(3)可以看出，大氣壓每下降1 hPa，海拔高度就升高8.43 m。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)大氣壓強(qiáng)與實(shí)際海拔高度之間存在非線性關(guān)系。如果直接用單片機(jī)微處理器計(jì)算此式，則程序較復(fù)雜、占用內(nèi)存空間較大，影響了運(yùn)算速度。因此需要采用一種算法將氣壓和高度兩者之間的非線性關(guān)系轉(zhuǎn)換為線性關(guān)系，以便于通過(guò)STM32F103RCT6微處理器對(duì)高度進(jìn)行實(shí)際的測(cè)算[7]。

2.3.2 線性插值法計(jì)算海拔高度

線性插值法的基本思路為：系統(tǒng)的靜態(tài)輸入/輸出數(shù)據(jù)表格中相鄰兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間客觀地存在著某種變化規(guī)律，在相鄰的各已知點(diǎn)間構(gòu)造一個(gè)簡(jiǎn)單的近似函數(shù)，近似函數(shù)的值取離散數(shù)據(jù)，然后根據(jù)己知點(diǎn)的函數(shù)值求出所要點(diǎn)的函數(shù)值[7]。本文采用線性插值法來(lái)計(jì)算海拔高度，假設(shè)系統(tǒng)輸入為x，并且xi＜x＜xi+1時(shí)，在此區(qū)間內(nèi)可近似認(rèn)為測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)輸入/輸出的關(guān)系為線性關(guān)系，即P(x)=α0+α1x，其點(diǎn)斜式插值公式為：

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣壓數(shù)據(jù)表中記錄了-100 m～20 000 m間每隔一段高度所對(duì)應(yīng)的氣壓值。每個(gè)氣壓數(shù)據(jù)點(diǎn)為xi，其對(duì)應(yīng)的高度數(shù)據(jù)點(diǎn)為yi，P(x)即為系統(tǒng)所要測(cè)量的海拔高度值。在實(shí)際應(yīng)用中，首先判斷傳感器所讀取的氣壓值對(duì)應(yīng)的高度范圍，然后采用線性插值法進(jìn)行高度計(jì)算，這樣在很大程度上避免了乘方運(yùn)算的復(fù)雜性[8]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

下面給出對(duì)一幢大樓進(jìn)行高度測(cè)試實(shí)驗(yàn)的記錄情況。分為兩次實(shí)驗(yàn)，兩次實(shí)驗(yàn)在同一時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行，首先測(cè)量大樓樓頂?shù)暮０胃叨龋缓鬁y(cè)量地面的海拔高度，兩者相減得到相對(duì)高度，即大樓的高度。

實(shí)際測(cè)量海拔高度時(shí)，每隔2 min測(cè)量一次，每次記錄30行數(shù)據(jù)的平均值，記錄下10組測(cè)量數(shù)據(jù)。兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，大樓相對(duì)高度與實(shí)際高度的對(duì)比如圖7所示。

圖6 大樓樓頂與地面的絕對(duì)高度

對(duì)圖7中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算得到10組相對(duì)高度數(shù)據(jù)的平均值為17.3 m。經(jīng)實(shí)地測(cè)量，大樓的實(shí)際高度為16.9 m。因此本系統(tǒng)測(cè)量的相對(duì)高度誤差為0.4 m，達(dá)到了預(yù)期的精度要求。

圖7 相對(duì)高度與實(shí)際高度對(duì)比

3.2 誤差分析

由于大氣壓強(qiáng)易受天氣、溫度等因素影響而發(fā)生變化，導(dǎo)致計(jì)算得出的絕對(duì)海拔高度值不穩(wěn)定，變化范圍較大，本實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到的相對(duì)高度值可以抵消由此產(chǎn)生的誤差。

假設(shè)大樓的海拔高度測(cè)量值為H1，實(shí)際值為H1′，絕對(duì)高度噪聲誤差為Δh1，因天氣、溫度等環(huán)境因素引起的誤差為Δh；地面的海拔高度測(cè)量值為H2，實(shí)際值為H2′，絕對(duì)高度噪聲誤差為 Δh2，因天氣等環(huán)境因素引起的誤差同樣為Δh，則有：

則大樓相對(duì)于地面的高度H為：

由式(6)可知，相對(duì)高度噪聲誤差為(Δh1-Δh2)，由此可見(jiàn)，絕對(duì)高度誤差中因天氣等環(huán)境因素引起的誤差被抵消，但是當(dāng) Δh1為正最大值且 Δh2為負(fù)最大值時(shí)，相對(duì)高度噪聲誤差可能會(huì)達(dá)到原來(lái)絕對(duì)高度噪聲誤差的兩倍。

本文提出的基于氣壓傳感器BMP085的高度測(cè)量系統(tǒng)，借助于大氣壓與海拔高度之間的關(guān)系，采用線性插值法計(jì)算海拔高度，減小了運(yùn)算的復(fù)雜性。同時(shí)，利用硬件方式實(shí)現(xiàn)I2C接口，保證了較快的傳輸速率。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)的相對(duì)高度誤差為0.4 m，具有一定的適用性。本系統(tǒng)具有體積小、精度高、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，適合安裝在移動(dòng)設(shè)備中，實(shí)用性較強(qiáng)，可以應(yīng)用于軍事、工業(yè)和商業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域，有著廣泛的應(yīng)用前景。

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