石英挠性加速度计在角度检测中的应用

黄 振，张春生，黄 伟，赵 毅，王晓东

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

石英挠性加速度计在角度检测中的应用

黄 振，张春生，黄 伟，赵 毅，王晓东

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

随着科学技术的进步，角度检测在现代工业体系中占有重要地位。现有角度检测设备因其测量范围、测量精度和功耗等局限，而逐渐不能满足测量要求。采用石英挠性加速度计传感器、AD7734与ARM MCU组合而成的一种新型倾角测量仪，通过对石英挠性加速度计的电流信号进行调理和AD采集，以及对采集的数据进行滤波处理，解算出倾角，通过标准RS485通信接口将数据传输到PC机上显示。实验表明：在0°～30°角度测量范围内，该系统倾角测量精度可以达到±0.01°，具有很好的工作稳定性。同时，该倾角测量仪具有体积小、精度高、重量轻、功耗低等优点，可广泛应用到桥梁架设、国防军事、地质勘探、土木工程、石油钻井、航空航天、航海、精密加工等领域。

石英挠性加速度计；角度检测；倾角测量仪；ARM MCU；RS485通信接口

0　引言

角度测量是几何量测量技术的重要组成之一，广泛应用于工业、军事、通信、航海、航天以及航空等各种领域，对我国经济建设、国防建设以及科学技术研究起至关重要的作用［1］。但随着测量要求的不断提高，在很多应用现场，现有的角度测量仪器由于其测量范围、使用范围、精度、功耗以及体积等方面的原因，已渐渐无法满足测量要求。石英挠性加速度计具有启动快、功耗低、可靠性高、精度高、易于实现数字化和智能化等优点，可以应用于各种倾斜角度检测系统中。

本文设计的倾斜角度测量仪采用了石英挠性加速度计MQA-1、AD7734、ARM STM32F103、温度控制电路以及RS485通信线组成的硬件结构，同时通过上位机软件对该倾角测量仪进行数据采集和补偿。

1　角度测量原理

石英挠性加速度计倾角测量仪是基于重力加速度原理。重力加速度g的方向始终垂直向下，如果空间水平方向与重力加速度g方向垂直，则重力加速度在水平方向上的投影为0；如果空间水平方向与重力加速度g方向不垂直，即与重力加速度方向有夹角，那么重力加速度在这个空间平面上的投影不为0［1-5］。

通过石英挠性加速度计传感器感应轴上的重力加速度，经过计算可以转换得到设备倾斜角度，其测量原理示意图如图1所示。传感器输出与重力加速度g有以下关系:

式中，Ax是石英挠性加速度计输出的加速度信息，g是以重力为参考的加速度值，α是传感器倾斜角度，也即是设备倾斜角度。

图1　加速度传感器角度测量原理图Fig.1 Diagram of angle measurement principle of accelerometer sensor

由此可以解算出角度值信息:

因此，在加速度原理的基础上实现了角度信息的测量，它以重力为输入矢量来决定物体在空间的状态，进而反应出物体的角度。把石英挠性加速计固定在物体的表面，当物体角度改变时，石英挠性加速度计的敏感轴也随之转动一定角度，由于重力的作用，石英挠性加速度计敏感轴上的加速度会发生改变，因此可以根据石英挠性加速度计输出信息的变化来反应物体的角度偏转。

2　系统硬件设计

该石英挠性加速度计倾角测量仪硬件系统包括MQA-1石英挠性加速度计、调理电路、AD采集电路、STM32F103及其外围电路、数据通信电路以及温控电路等，其硬件系统框图如图2所示。

图2　硬件系统框图Fig.2 Block diagram of system hardware

文中采用的MQA-1石英挠性加速度计为单轴加速度传感器，输出为电流信号，±15V供电，量程是±40g，标定因数K1为（1±0.15）mA/g。在调理电路前端加入2K采样电阻，将石英挠性加速度计输出的电流信号转化为电压信号，再经过调理电路中的滤波电路，发送给AD7734。则AD采集到的电压输入范围为±2V左右。

为了保证整个系统的测量精度，使用的AD7734具有24-bit高分辨率，输入电压范围可以设置为+5V、±5V、+10V、±10V，供电电压为5V，采用SPI通信，可以同时采集4路信号。本文所提到的石英挠性倾角测量系统仅需要同时采集2路石英挠性加速度计的输出信号。因为采集到的电压范围为±2V左右，故在程序AD初始化中，将AD的采样输入电压范围设置为±5V。

STM32F103内核是32-bit Cortex-M3处理器，最大时钟频率可以达到72MHz，拥有足够的外设资源，包括2个16-bit看门狗定时器、2个12-bit 的10通道A/D转换模块、电压比较器、电压基准输出、定时器、2个SPI，2个I2C以及3个串行通信模块等。该系统采用FLASH ROM技术，集成JTAG，支持在线编程。该芯片价格低、功耗低、外设资源足够、处理速度快。

为了保证石英挠性加速度倾角测量仪的长期稳定性，同时设置了温控电路，使得石英挠性加速度计的本体空间温度控制在55℃±0.5℃。温控电路采用电桥平衡原理，热敏电阻贴于本体内部。

3　系统软件设计

程序设计包括SPI通信、数据处理、串口通信等。系统上电后，首先对STM32F103的各个资源进行配置，包括时钟配置、中断配置、IO配置、串口配置、SPI配置等，然后通过 SPI总线对AD7734进行初始化，再进行数据采集处理。同时硬件资源检测是否有串口接收中断发生，该中断在串口中断服务子程序中实现，其软件系统流程图如图3所示。其中，图3（a）是主程序流程图，图3（b）是串口中断服务子程序流程图。

AD7734与STM32F103之间的通信采用SPI通信。在主程序中，对AD进行初始化。首先，对AD进行复位，然后设置AD的参数，最后配置AD电压采集范围、采样速率以及转换模式。AD的片选引脚由STM32F103的PB11控制，通过对PB11引脚写 ‘0’或 ‘1’，来控制AD7734的启动或关闭。在主程序循环中，判断AD7734的引脚RDY的电平，当该引脚电平为 ‘0’时，微处理器通过SPI总线发送指令，读取AD7734对应通道寄存器的数据，SPI通信图如图4所示。AD7734采集到的数据是 24-bit，对应数据寄存器中的数据是8-bit，微处理器通过 SPI通信获得的数据先是MSB，后是LSB，通过以下方法可以合并为24位输出值:

axrate=（axbyte［0］＜＜16）+（axbyte［1］＜＜8）+axbyte［2］；

ayrate=（aybyte［0］＜＜16）+（aybyte［1］＜＜8）+aybyte［2］；

计算出来的角度值存放在程序中某个变量里，当有上位机指令到来，则进入串口中断服务子程序中，将该变量的值通过串口发送出去。串口采用RS485标准，实现STM32F103与PC之间的通信。采用Labview编写上位机程序，显示PC机接收到的数据并以txt文件保存在PC机中，有利于数据的进一步分析和处理［3］。

图3　软件系统流程图Fig.3 The flow chart of the software system

4　抗干扰设计

石英挠性加速度计敏感性高，容易受到外界的干扰，系统输出噪声随着测量带宽的改变而改变［3-4］。通过滤波电路处理，降低系统带宽，可以有效减小系统输出噪声，提高整个系统的信噪比。为了保证该系统的灵敏度和精度，需要对系统进行干扰设计。

图4　SPI通信图Fig.4 SPI communication diagram

4.1硬件抗干扰

信号调理电路中，采用二阶滤波电路，降低系统输入信号的带宽，减少信号噪声，提高信噪比。

同时，为了防止电源引入外界干扰，需要对电源噪声进行抑制。在电源上并接0.1μF滤波电容。在印制板上，电容的摆放位置尽可能地靠近芯片电源引脚，并且引线长度要尽可能短。将模拟地与数字地分开，中间采用0Ω电阻连接，避免数字地对模拟信号的干扰。

4.2软件抗干扰

通过软件滤波可以更有效地降低信号干扰，提高数据的准确性。软件设计中主要采用两种滤波思想。

一种是FIR滤波器思想。该滤波器具有性能稳定、快速响应、设计灵活等特点。同时，由于该滤波器单位冲击响应是有限长的，因而可用快速傅里叶变换（FFT）来实现滤波信号，可大大提高运算效率，很好地应用到该倾斜测量仪软件系统中。FIR滤波器用当前和过去输入样值的加权和来形成它的输出:

在程序中，l的取值为51，h（i）的参数根据大量的原始数据，在MATLAB中计算得出。

另外一种是均值滤波，先接收100个数据，再保留它们的算数平均值，可以较好地抑制随机噪声。

5　数据分析

测试过程中，采用四点翻滚法则测试该系统的偏值K0和标度因数K1。分别测试该石英挠性倾角测量仪在0°、90°、180°、270°位置时的初始电压值，再根据这些电压值计算出该倾角测量仪的参数，将计算出来的参数加入到角度解算公式中。

测试过程中，该倾角测量仪处于0g状态，测试结果曲线图如图5所示。

根据要求，在转台上测得0°～30°范围内的角度信息，经过程序中对测量系统的补偿后，得到的倾角测量结果如表1所示。

图5　0g状态测试结果曲线图Fig.5 Curve of the test results in 0g state

表1　倾角测量结果Table 1 Result of title angle measurement

由图5可以看到，在0g状态下，石英挠性加速度计倾角测量仪的角度输出变化在0.002°以内，数据比较稳定。而由表1可以看出，在0°～30°范围内，测得的角度精度在±0.01°以内，具有很高的精度。

6　结论

本文设计的石英挠性加速度计倾角测量仪具有体积小、重量轻、精度高、功耗低、响应速度快等优点，在0°～30°角度测量范围内，其长期测量精度可以达到±0.01°，适用于精度要求高的场合。

未来，该系统可以应用到桥梁架设、国防军事、地质勘探、土木工程、石油钻井［6］、航空航天、航海、精密加工等领域。

［1］ 李哲.基于MEMS传感技术的数字式倾角仪的研究［D］.天津大学，2008. LI Zhe.Study on a digital angle measuring instrument basedonMEMSsensortechnology［D］.Tianjin University，2008.

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［5］ 沙承贤，李杰，翟成瑞，等.基于MEMS加速度传感器的数字倾角仪设计［J］.传感器与微系统，2010，29（6）：134-136. SHA Cheng-xian，LI Jie，ZHAI Cheng-rui，et al.Design of digital inclinometer based on MEMS acceleration sensor ［J］.Transducer and Micro-system Technology，2010，29 （6）：134-136.

［6］ 高爽，焦禹舜，孔庆鹏，林铁.随钻测斜用微小型导航计算机系统设计与实现［J］.导航与控制，2013，12（4）：41-44. GAO Shuang，JIAO Yu-shun，KONG Qing-peng，LIN Tie.Design and realization of a micro navigation computer systemusedininclinometerconcerningMWD［J］. Navigation and Control，2013，12（4）：41-44.

Application of Quartz Flexibility Accelerometer in Angle Measuring

HUANG Zhen，ZHANG Chun-sheng，HUANG Wei，ZHAO Yi，WANG Xiao-dong
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

With the development of science technology，angle measuring becomes more and more important in the modern industry system.And the existing angle measuring instruments can't meet the requirement of measuring，because of its disadvantage in measurement range，measurement accuracy and the power consumption.A new type tilt angle measuring instrument is designed，and combined with quartz flexibility accelerometer，AD7734 and ARM MCU.By conditioning and AD acquisition for quartz flexibility accelerometer output current signal and filtering the AD data，MCU calculates inclination value and inclination value can be displayed by PC via standard RS485 communication interface.The experiment shows that the angle measurement precision can reach±0.01°and it has good stability in the angle measurement range from 0°to 30°.Otherwise，the angle measurement instrument features small size，high precision，light weight，low power consumption and can be widely used in bridges，military affairs and national defense，geological exploration，civil engineering，oil artesian well，aviation and aerospace，seafaring and exact machining and so on.

quartz flexibility accelerometer；angle measuring；tilt angle measurement instrument；ARM MCU；RS485 communication interface

V19

A

1674-5558（2016）05-01096

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.03.019

2015-03-31

黄振，男，计算机应用技术专业，硕士，研究方向为电流频率转换电路设计、智能仪器检测与控制。