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        傾角傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        2016-11-30 09:39:00
        傳感器世界 2016年1期
        關(guān)鍵詞:晶振串口傾角

        北京信息科技大學(xué) 信息獲取與檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101

        一、引言

        角度測(cè)量是計(jì)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(cè)量?jī)A角的儀器傾角傳感器,被大量地生產(chǎn)出來(lái)并應(yīng)用于傾角測(cè)量領(lǐng)域。同時(shí),人們對(duì)于測(cè)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(chǎng)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(duì)以上問(wèn)題,設(shè)計(jì)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(hào)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(gè)意義上,該系統(tǒng)具有較高的實(shí)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。

        二、自校準(zhǔn)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

        本課題將利用計(jì)算機(jī)控制整個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程,工作人員只需填寫校準(zhǔn)時(shí)所需的傳感器的必要信息,如產(chǎn)品型號(hào)、接口形式、電源電壓等信息,填寫完畢后,計(jì)算機(jī)會(huì)計(jì)算最終的結(jié)果,中間的操作過(guò)程完全不需要工作人員的參與,全部的計(jì)算過(guò)程由計(jì)算機(jī)來(lái)完成。因此,要實(shí)現(xiàn)這個(gè)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(jì)思路,傾角傳感器自動(dòng)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(tái)上,程控電源給傾角傳感器供電,通過(guò)通信協(xié)議精確地控制轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)傾角傳感器轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)一個(gè)功能電路將一個(gè)USB轉(zhuǎn)換成四個(gè)串口實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)軟件測(cè)試平臺(tái)與轉(zhuǎn)臺(tái)、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(jì)

        由傾角傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可知,上位機(jī)需要同時(shí)與轉(zhuǎn)臺(tái)、電源、傾角傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,但是同一個(gè)上位機(jī)不能實(shí)現(xiàn)上述功能,因此就需要一個(gè)功能電路將上位機(jī)的一個(gè)USB轉(zhuǎn)換成多個(gè)串口使用。

        上位機(jī)通過(guò)USB與中繼器相連,利用芯片CH340將上位機(jī)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(guò)總線對(duì)分處理器ATmega16進(jìn)行控制,4個(gè)分處理器在分別與RS232收發(fā)器ADM3251E相連,實(shí)現(xiàn)一個(gè)串口轉(zhuǎn)換成四個(gè)串口。其中中繼器的三個(gè)串口則分別與三軸轉(zhuǎn)臺(tái)、待校準(zhǔn)傳感器、程控電源的RS232串口相連,以實(shí)現(xiàn)安裝在上位機(jī)上的軟件同時(shí)與轉(zhuǎn)臺(tái)、電源和傳感器進(jìn)行通信,另一個(gè)串口用于擴(kuò)展。下面將詳細(xì)介紹中繼器的各個(gè)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(dú)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(tái)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(jī)的20引腳相連;XTAL1、XTAL2兩個(gè)引腳為時(shí)鐘電路振蕩引腳,應(yīng)與外接的時(shí)鐘電路相連,由于本電路采用有源晶振電路提供時(shí)鐘信號(hào),所以只需要將有源晶振的輸出與單片機(jī)的24引腳相連即可;單片機(jī)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(jī)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(jì)

        為了實(shí)現(xiàn)上位機(jī)同時(shí)與多個(gè)串口同時(shí)通信,本系統(tǒng)用ATmega128分別控制了4個(gè)單獨(dú)的分處理器,每個(gè)分處理器在控制1個(gè)ADM3251芯片,每個(gè)ADM3251的輸出就是標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口。

        該系統(tǒng)會(huì)用到每個(gè)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(jià)比的問(wèn)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(shí)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(jī)的USB口有限,若上位機(jī)要同時(shí)與轉(zhuǎn)臺(tái)、程控電源、待校準(zhǔn)傳感器進(jìn)行通信,就需要一個(gè)將USB轉(zhuǎn)換成串口的電路。因此,選擇CH340芯片實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口,電路設(shè)計(jì)如圖5所示。USB的四根引線分別跟電源、地和CH340的兩個(gè)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(jì)外圍復(fù)位電路,因?yàn)樾酒瑑?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(shí)鐘信號(hào)引腳提供12MHz 的時(shí)鐘信號(hào)。一般情況下,CH340內(nèi)置的反相器通過(guò)晶體穩(wěn)頻振蕩會(huì)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。因此,再設(shè)計(jì)外圍電路時(shí),只需要連接一個(gè)12MHz 的晶體在XI和X 兩個(gè)引腳之間,同時(shí)在兩個(gè)引腳處對(duì)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(shí)與帶校準(zhǔn)傳感器、轉(zhuǎn)臺(tái)、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(jì)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(wú)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(gè)ATmega16微處理器控制,每個(gè)分處理器都需要配備時(shí)鐘震蕩電路為其提供時(shí)鐘信號(hào)。因此,本文選擇了有源晶振電路為微控制器提供時(shí)鐘信號(hào),以減少時(shí)鐘電路的重復(fù)性。選擇的有源晶振型號(hào)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(jiǎn)單,電源端需要連接一個(gè)0.01μF的電容給電源濾波,輸出端需要連接一個(gè)100Ω的電阻用于過(guò)濾信號(hào)。

        6、電源模塊

        在利用自校準(zhǔn)系統(tǒng)校準(zhǔn)傳感器時(shí),需要給傳感器提供電壓保證其正常工作,才能實(shí)現(xiàn)傳感器的校準(zhǔn)。因此電源的正確選擇對(duì)測(cè)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(kāi)關(guān)電源技術(shù),實(shí)現(xiàn)高功率密度輸出,精致的設(shè)計(jì)確保了輸出低噪聲,是理想的功率電壓源、電流源。市場(chǎng)上常見(jiàn)的傳感器供電電壓多為5V、12V、24V,為了滿足對(duì)多種傳感器的供電電壓的要求,需要選擇一個(gè)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(jì)

        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(yùn)行于上位機(jī)中,該程序是實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)自動(dòng)校準(zhǔn)傾角傳感器的人機(jī)交互接口。該系統(tǒng)軟件的主要功能是通過(guò)上位機(jī)將三軸轉(zhuǎn)臺(tái)、程控電源、傳感器三部分有機(jī)地結(jié)合在一起,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)、電源的控制,對(duì)傳感器數(shù)據(jù)采集等一系列自動(dòng)化過(guò)程??傮w軟件設(shè)計(jì)流程圖,如圖7所示。

        首先檢驗(yàn)電源和轉(zhuǎn)臺(tái)是否啟動(dòng),隨后啟動(dòng)完畢登錄系統(tǒng)軟件,進(jìn)行用戶管理、轉(zhuǎn)臺(tái)、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(cè)試報(bào)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(duì)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(jì)算出最合適的校準(zhǔn)數(shù)據(jù),來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償,是自校準(zhǔn)系統(tǒng)的一個(gè)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(jī)干擾問(wèn)題[6],那么所得到的測(cè)量角度結(jié)果是一個(gè)范圍[θ0,θ1]。當(dāng)我們?nèi)〔煌嵌圈葂作為該角度的測(cè)量值時(shí),產(chǎn)生的補(bǔ)償數(shù)據(jù)θ-θx也就不同,同時(shí)補(bǔ)償后獲得的新測(cè)量角度的范圍也就不相同,即 [(θ0+θ-θx),(θ1+θ-θx)](補(bǔ)償前后是同一組測(cè)量數(shù)據(jù))。此時(shí)在輸入角度為θ時(shí)的最大誤差θmax為:

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

        六、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(duì)話框中填寫相應(yīng)的內(nèi)容。因?yàn)閭鞲衅鞯耐ㄐ沤涌跒闃?biāo)準(zhǔn)的RS232接口,在產(chǎn)品信息欄處,選擇型號(hào)為RS232類,編號(hào)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(zhǎng)為5°,測(cè)試角度的起始點(diǎn)為-180°,終止點(diǎn)為+180°,停頓時(shí)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(huì)進(jìn)行傳感器的自動(dòng)校準(zhǔn),此時(shí),轉(zhuǎn)臺(tái)開(kāi)始工作,轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)過(guò)的角度、傳感器檢測(cè)到的當(dāng)前角度值會(huì)在自校準(zhǔn)數(shù)據(jù)接收框內(nèi)顯示出來(lái)。

        自校準(zhǔn)報(bào)告包括兩列數(shù)據(jù),第一列為轉(zhuǎn)臺(tái)反饋回來(lái)的角度,第二列為校準(zhǔn)后傳感器測(cè)量到的角度。由于測(cè)量范圍是-180°~+180°,測(cè)量的步長(zhǎng)為5°,所以報(bào)告顯示一共73個(gè)點(diǎn)。測(cè)試完成以后,測(cè)試數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)保存。那么,單軸360°自校準(zhǔn)測(cè)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(tái)轉(zhuǎn)過(guò)的角度,第二列為傳感器測(cè)量到的角度,第三列為校準(zhǔn)后傳感器測(cè)量結(jié)果的誤差。由圖中的誤差可知,測(cè)量結(jié)果的最大誤差為0.006°,與測(cè)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(cè)量誤差曲線圖如圖10所示,由縱坐標(biāo)的數(shù)量級(jí)可以看出,誤差較小,校準(zhǔn)以后的精度比較高。

        由于轉(zhuǎn)臺(tái)也可手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng),因此可用手動(dòng)校準(zhǔn)的方法對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。為了與自動(dòng)校準(zhǔn)形成對(duì)比,規(guī)定手動(dòng)校準(zhǔn)量程范圍為-180°~+180°,測(cè)量的步長(zhǎng)為5°,一共73個(gè)點(diǎn),手動(dòng)校準(zhǔn)部分的數(shù)據(jù)誤差如圖11所示。

        由于是手動(dòng)校準(zhǔn)在計(jì)算時(shí),如果選取的數(shù)據(jù)量大,工作人員計(jì)算時(shí)工作量很大,因此取點(diǎn)比較少。由圖11可知,手動(dòng)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(dòng)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(jí)明顯比自動(dòng)校準(zhǔn)的高,誤差浮動(dòng)大,明顯比自動(dòng)校準(zhǔn)的誤差稍大。

        對(duì)比自動(dòng)校準(zhǔn)和人工校準(zhǔn),首先,在原始數(shù)據(jù)的提取上,自動(dòng)校準(zhǔn)由于是計(jì)算機(jī)按照預(yù)定算法進(jìn)行計(jì)算,因此可以大量取值。但是人工校準(zhǔn)由于時(shí)間和效率的問(wèn)題,如果取大量數(shù)據(jù)工作人員的計(jì)算量會(huì)特別大,因此只能取少量數(shù)值,然而這將會(huì)影響最后的測(cè)量結(jié)果。其次,對(duì)比最后的校準(zhǔn)結(jié)果,可以看出自動(dòng)校準(zhǔn)精度可以達(dá)到千分之幾,人工校準(zhǔn)的精度相對(duì)來(lái)說(shuō)比較低一點(diǎn)。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?hào)的傳感器進(jìn)行全方位的測(cè)量以及高精度的校準(zhǔn),將校準(zhǔn)和測(cè)試合為一體,既減少了工序,又縮短了校準(zhǔn)時(shí)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(shí)用價(jià)值。

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