胡正群 ，張麗榮

(1．中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京100012;2．中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100049)

數(shù)字大氣壓力傳感器目前普遍運(yùn)用于社會(huì)生活各個(gè)領(lǐng)域，大氣壓力傳感器技術(shù)是儀器科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的重要技術(shù)方向，未來(lái)此類(lèi)傳感技術(shù)的發(fā)展主要向兩個(gè)方向進(jìn)行:其一是開(kāi)發(fā)新材料、新工藝開(kāi)發(fā)新型傳感器;其二是研究傳感技術(shù)的高精度、集成化、微型化、智能化、仿生化、網(wǎng)絡(luò)化和多傳感器融合等。

數(shù)字化通信是電子設(shè)備發(fā)展的趨勢(shì)，目前所使用的大部分壓力傳感器都是數(shù)字化傳感器，它具有穩(wěn)定性高、簡(jiǎn)易方便、易于集成等特點(diǎn)。在眾多的大氣壓力傳感器中，BP5607是基于 MEMS(Microelectro Mechanical System)技術(shù)的高靈敏度、高分辨率的數(shù)字壓力傳感器。本文基于ARM Cortex－M3微處理器LP1768+壓力傳感器BP5607的架構(gòu)設(shè)計(jì)，闡述該款傳感器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)思想;結(jié)合改進(jìn)的差分氣壓測(cè)高算法，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了具有高靈敏度、高分辨率、高精度的高程測(cè)量?jī)x，在傳感器應(yīng)用測(cè)量領(lǐng)域有一定的使用參考價(jià)值。

1 高分辨率數(shù)字壓力傳感器BP5607

BP5607是一款采用MEMS技術(shù)將高線性壓力傳感器與一個(gè)低功耗的24 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(ADC)集成于一體的數(shù)字氣壓傳感器(圖1)。壓力測(cè)量范圍為10 mbar～1 200 mbar，壓力測(cè)量分辨率為0．13 mbar/0．084 mbar/0．054 mbar/0．036 mbar/0.024 mbar通過(guò)編程設(shè)置采樣率可以有效選擇;溫度測(cè)量范圍為－40℃ ～85℃，分辨率優(yōu)于0．01℃。用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的轉(zhuǎn)換速度和功耗在軟件中選擇不同的工作模式。BP5607包含了一個(gè)硅壓阻傳感器和一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路，它把從壓阻式傳感器輸出的未經(jīng)補(bǔ)償?shù)哪M電壓轉(zhuǎn)換為24 bit的數(shù)字信號(hào)，提供一個(gè)24 bit的數(shù)字壓力值和溫度值信號(hào)[1]。

圖1 BP5607原理框圖

BP5607可以根據(jù)需要選擇AD轉(zhuǎn)換器采樣頻率(256/512/1024/2048/4096)用以控制氣壓/溫度輸出的有效位精度，從而提高測(cè)量精度。該模塊將傳感器采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器后輸出24 bit的數(shù)字信號(hào)可直接與微處理器通信，便于集成，相對(duì)于以前的模擬信號(hào)輸出的產(chǎn)品，減少了信號(hào)放大等電路，同時(shí)也節(jié)省了標(biāo)定環(huán)節(jié)的時(shí)間和資金。BP5607具有小體積(5．3 mm×3．0 mm×1．7 mm)，低功耗，高精度，高分辨率，響應(yīng)時(shí)間快的特點(diǎn)。

BP5607提供SPI和IIC 2種接口模式，可以與任意一款微處理器相連，不需要裝置內(nèi)部編程存儲(chǔ)器，用以控制BP5607的工作模式和工作流程。在SPI模式下模塊可以同時(shí)接受時(shí)序相反的模式0和模式3傳感器在輸出端SDO(串行數(shù)據(jù)輸出)給予響應(yīng)。片選管腳(CSB管腳)用于控制該接口的工作狀態(tài)，用以解決微處理器SPI接口復(fù)用的問(wèn)題。當(dāng)發(fā)送命令或者命令執(zhí)行完后該片選管腳(CSB腳)被拉回至高電平。在進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換時(shí)，當(dāng)SPI總線處于閑置時(shí)或者沒(méi)有其他設(shè)備在利用該總線時(shí)噪聲性能最好。IIC總線在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，外部處理器時(shí)鐘通過(guò)SCLK(串行時(shí)鐘)和SDA(串行數(shù)據(jù))與模塊通信，IIC總線接口在同一個(gè)雙向通信的SDA管腳響應(yīng)，因此這種接口只需要兩條信號(hào)線，不再需要片選信號(hào)。在IIC模式下片選信號(hào)(CSB腳)的增加提供了LSB的IIC的地址，因此在同一個(gè)IIC中線上可以攜帶多個(gè)傳感器模塊工作。

2 氣壓測(cè)高模塊的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

BP5607內(nèi)部沒(méi)有控制器，需要外接微小控制處理器通過(guò)讀寫(xiě)指令來(lái)驅(qū)動(dòng)BP5607的工作，本文采用LPC1768處理器+BP5607的架構(gòu)完成氣壓測(cè)高模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，氣壓測(cè)高模塊系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 氣壓測(cè)高模塊系統(tǒng)組成

2．1 LPC1768 微處理器

LPC1768是一款高性能、低功耗的32 bit ARM Cortex－M3微處理器，內(nèi)存映射包含多個(gè)內(nèi)置外設(shè)塊，具有一個(gè)嵌套矢量中斷控制器(NVIC)[2－3]。運(yùn)行頻率高達(dá)100 MHz，具有512 kbyte的Flash存儲(chǔ)器和64 kbyte的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。供電電源2．4 V ～3．6 V，操作頻率可以從1 MHz～24 MHz，能實(shí)時(shí)處理大量的溫度補(bǔ)償和壓強(qiáng)數(shù)值轉(zhuǎn)換運(yùn)算。支持低功耗運(yùn)行和低功耗睡眠模式，滿(mǎn)足系統(tǒng)低功耗要求。LPC1768的芯片資源和接口資源非常豐富，可以保證處理器將處理完的數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿枰脑O(shè)備上。

2．2 氣壓和溫度數(shù)據(jù)采集

LPC1768微處理器與傳感器BP5607之間采用SPI接口進(jìn)行交互通信，從而獲得對(duì)氣壓數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)的采集。傳感器BP5607有5種基本指令:復(fù)位－讀取PROM數(shù)字(C1～C6系數(shù))－D1轉(zhuǎn)換－D2轉(zhuǎn)換－讀取ADC并輸出數(shù)據(jù)[1]。通過(guò)這5種基本指令可以得到BP5607采集氣壓和溫度數(shù)據(jù)的工作流程，如圖3所示。

圖3 BP5607采集氣壓/溫度的工作流程

在同一地點(diǎn)分別用兩個(gè)模塊測(cè)量氣壓值如圖4和圖5所示，圖4是通過(guò)LPC1768對(duì)傳感器BP5607設(shè)置氣壓分辨率為0．024 mbar的測(cè)量結(jié)果，圖5是傳感器測(cè)量氣壓分辨率為0．13 mbar的測(cè)量結(jié)果，氣壓數(shù)據(jù)采集率為1 Hz。

圖4 BP5607測(cè)得48 h氣壓的變化曲線(D1/D2采樣率:4096)

圖5 BP5607測(cè)得48 h氣壓的變化曲線(D1/D2采樣率:256)

不同的傳感器模塊即使在同一個(gè)位置上，由于焊接工藝上存在一定的區(qū)別，利用不同的傳感器模塊測(cè)量氣壓，所得到的氣壓測(cè)量值彼此之間也會(huì)存在一定的差異，但是這個(gè)差值一般是固定的，可以通過(guò)測(cè)量得以修正。

此外，由于AD轉(zhuǎn)換器采樣率的不同，采集得到的氣壓值在有效位上存在一定的區(qū)別，采樣率越高氣壓變化曲線顯得越平滑，也就越能真實(shí)的反映實(shí)際的大氣壓強(qiáng)的物理狀況，采樣率越低氣壓變化曲線存在較大的量化誤差。

3 改進(jìn)型差分氣壓測(cè)高

式(1)中tm是基準(zhǔn)點(diǎn)P0和測(cè)量點(diǎn)P之間的平均攝氏溫度，即tm=(t0+tR)/2，t0為基準(zhǔn)點(diǎn)溫度，tR為測(cè)量點(diǎn)溫度值。

差分氣壓測(cè)高具有較好的高程測(cè)量精度，在很多場(chǎng)合中具有很好的使用價(jià)值[8]，為了減小用戶(hù)端數(shù)據(jù)的計(jì)算量，通過(guò)線性化計(jì)算的方式獲得高程，可以對(duì)差分氣壓測(cè)高的數(shù)學(xué)模型做一定的改進(jìn)。由式(1)分析可得，假定不同的氣壓測(cè)高模塊在同一地點(diǎn)測(cè)量的氣壓值完全一致的情況下，測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)0．1 mbar的氣壓變化量，相當(dāng)于高度變化約0．82 m;測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)1℃的溫度變化量，相當(dāng)于高度變化約為0．023 m[9]。在差分氣壓測(cè)高模型中，高程的測(cè)量精度主要取決于基準(zhǔn)點(diǎn)與測(cè)量點(diǎn)之間的氣壓差，氣壓傳感器的測(cè)量一致性決定了氣壓對(duì)高程測(cè)量的精度。溫度在差分氣壓測(cè)高模型中的影響權(quán)重比較小，氣壓在差分氣壓測(cè)高模型中的影響權(quán)重比較大，在一定的區(qū)域范圍以?xún)?nèi)，可以建立測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的高度與氣壓差和溫度差之間的線性數(shù)學(xué)關(guān)系式，如式(2)所示。

在不同的區(qū)域范圍內(nèi)通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得α和β值，從而獲得簡(jiǎn)化差分氣壓測(cè)高系統(tǒng)方法的使用。在差分氣壓測(cè)高系統(tǒng)中，高程測(cè)量精度與基準(zhǔn)點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)之間的基線長(zhǎng)度負(fù)相關(guān)，即基線長(zhǎng)度越長(zhǎng)精度越低。為了提高差分氣壓測(cè)高的精度，差分的范圍不宜過(guò)大，一般在3 km左右的區(qū)域里，因此可以認(rèn)為基準(zhǔn)點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)的溫度相等，即tR=t0，那么式(2)可以簡(jiǎn)化為

式(3)表明測(cè)點(diǎn)的高程測(cè)量變成了基準(zhǔn)點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)的氣壓差測(cè)量問(wèn)題，在基準(zhǔn)點(diǎn)高程一定的條件下，測(cè)點(diǎn)的高程分辨率直接取決于基準(zhǔn)點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)的氣壓差分辨率，即取決于氣壓的測(cè)量分辨率。由圖4和圖5

由圖4可以看到，同一地點(diǎn)(海拔不變)的氣壓值處于無(wú)規(guī)則的變化狀態(tài)之中[4－5]，在“國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣”模型下，直接通過(guò)氣壓去推算高程，解算的高程同樣和氣壓值的變化趨勢(shì)一樣[6]，這時(shí)高程的測(cè)量精度不高，嚴(yán)重的情況下一天內(nèi)的定點(diǎn)測(cè)量高度漂移達(dá)到數(shù)十米的量級(jí)，穩(wěn)定性和可靠性較差，實(shí)用性不強(qiáng)。

根據(jù)氣壓隨高度變化的規(guī)律，若已知基準(zhǔn)點(diǎn)高度h0的氣壓P0和溫度t0，以及在測(cè)點(diǎn)測(cè)出的氣壓P和溫度 tR，測(cè)點(diǎn)的高度 h 為[7]:可知，D1/D2采樣率決定了測(cè)壓的分辨率，進(jìn)而決定了高程測(cè)量的分辨率。因此，D1/D2采樣率越高，高程測(cè)量分辨率越高。將兩個(gè)BP5607測(cè)高模塊放在高差為h－h(huán)0=0．8 m的兩個(gè)位置，D1/D2采樣率為4 096，氣壓測(cè)量分辨率為0．024 mbar，氣壓數(shù)據(jù)采集率為1 Hz，將較低位置的模塊作為基準(zhǔn)點(diǎn)，較高位置的模塊作為測(cè)點(diǎn)，由測(cè)量的溫度值和氣壓值求得 α=1．020 8，β=0．1361。由于兩個(gè)模塊之間在同一個(gè)位置本身存在測(cè)量差異，因此，以上兩個(gè)系數(shù)已經(jīng)包含了測(cè)量差異的系統(tǒng)誤差。將測(cè)點(diǎn)模塊向上移動(dòng)0．6 m，然后返回測(cè)點(diǎn)位置，測(cè)點(diǎn)模塊相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的高程軌跡經(jīng)過(guò)式(1)和式(2)解算如圖6所示。

圖6 測(cè)點(diǎn)模塊相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)高程解算曲線

利用式(1)和式(2)解算的測(cè)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)高程曲線基本一致，并且兩者都比較符合實(shí)際的情況，分辨率較高。氣壓每變化0．1 mbar帶來(lái)高程測(cè)量誤差約為0．82 m[10]，因此，提高測(cè)壓的分辨率和精度可以進(jìn)一步提高差分氣壓測(cè)高系統(tǒng)高程的測(cè)量精度，當(dāng)測(cè)壓分辨率達(dá)到0．01 mbar時(shí)，系統(tǒng)理想的高程分辨率達(dá)到0．082 m，由于系統(tǒng)誤差等因素的存在，由圖6可知，高程測(cè)量的分辨率仍然可以?xún)?yōu)于0．2 m。

4 結(jié)束語(yǔ)

壓力傳感器BP5607具有良好的重復(fù)性以及批量生產(chǎn)性，便于實(shí)現(xiàn)壓力傳感器的單片集成，隨著測(cè)控領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展，將高靈敏、高分辨率的壓力傳感器嵌入到其他的電子勘測(cè)系統(tǒng)，將會(huì)有更多的場(chǎng)合受益于這些高靈敏度的壓力傳感器。本文利用LPC1768作為微處理器，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)BP5607的差分氣壓測(cè)高模塊，并且結(jié)合簡(jiǎn)化的差分氣壓測(cè)高方法，具有較好的穩(wěn)定性、可靠性，在高程測(cè)量領(lǐng)域中對(duì)于提高精度和分辨率方面有較好的效果，在高程測(cè)量領(lǐng)域有著一定的參考價(jià)值。

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