1.引言 

　　海洋環(huán)境監(jiān)測儀器是測量海洋水文要素的重要手段，其在水下的姿態(tài)直接影響到測量參數(shù)的。通過對儀器姿態(tài)的測量，可在一定傾角范圍內對流速、流向等水文測量要素進行傾斜補償。本文主要通過傾角傳感器的選型、A/D轉換及其測量控制電路的設計、與上位機的通訊等幾部分，詳細介紹了一種傾角測量系統(tǒng)的設計方案。已成功地在國家“十五”863計劃“水下流浪潮綜合測量技術”課題中得到應用。

2.傾角測量系統(tǒng)的硬件設計

　　圖1是系統(tǒng)硬件組成的框圖。如圖所示，整個系統(tǒng)由SCA100T傾角傳感器、一階低通濾波器、ADS1211AD轉換器、單片機、上位機等幾部分組成。下面簡單對硬件的各個組成部分進行介紹：




　　圖1 硬件設計框圖

2.1單片機的選擇

　　單片微型計算機簡稱單片機。它是把組成計算機的各種功能部件：中央處理器CPU、RAM、ROM、I/O接口電路、定時器/計數(shù)器以及串行通訊接口等部件制作在一塊集成芯片中，構成一個完整的微型計算機 。單片機是整個系統(tǒng)的，在本文的應用中主要用于數(shù)據(jù)采集和傳輸，選用的是ATMEL公司的AT89S52。

2.2 AD轉換器

 
　　ADS1211是高、寬動態(tài)特性的Δ－Σ型模擬／數(shù)字轉換器。它的差動輸入端可以直接與傳感器或微小的電壓信號相連。其內部的Δ－Σ結構可確保它的寬動態(tài)特性和24位的分辨率。由于采用了低噪聲的輸入放大器，可以在轉換速度為10Hz時獲得20位的有效；借助于其內部獨特的調制器加速操作模式，在轉換速度為1kHz時仍可達到16位的有效。

　　基金項目：國家高技術研究發(fā)展（863）計劃—資源環(huán)境技術領域海洋監(jiān)測技術主題：水下流浪潮綜合測量技術（課題號：2002AA632060）

　　ADS1211有主動和從動兩種工作方式，在本應用中ADS1211與單片機的連接采用四線

　　制從動方式（如圖2），即ADS1211的SDOUT、SDIO、SCLK、DRDY分別與單片機的P1.4、P1.5、 P1.6、P1.7口連接。采樣數(shù)據(jù)通過SDOUT傳輸?shù)絾纹瑱C，單片機通過查詢DRDY接收數(shù)據(jù)。單片機通過SDIO向ADS1211發(fā)送命令。SCLK引腳上的串行通波特率由軟件編程實現(xiàn)。


　　圖2 傾角測量系統(tǒng)電路原理圖

2.3 傾角傳感器

　　傾角傳感器采用VTI Technologies 公司的SCA100T系列。SCA100T是采用微電子機電技術（EMES）制造的一款雙軸加速度傳感器，SCA100T單軸的輸出范圍約為±40度，有效輸出范圍為±30度。在采樣頻率為8Hz及以下時，可獲得0.002度的輸出分辨率。

　　加速度傳感器可以用來測定變化或恒定的加速度。恒定加速度的一個特例就是重力加速度，當傳感器靜止時（沒有水平或垂直方向的加速度時），重力加速度方向和傳感器靈敏軸的夾角就是傾角。雙軸加速度傳感器測量傾角有兩種放置方法：水平放置和一軸垂直放置。 

　　圖3給出水平放置示意圖：




　　圖3水平放置方法

　　水平放置在±60度的范圍內有很好的分辨率，當大于±60度時，傳感器將變得不靈敏（此時arcsin函數(shù)逐漸接近水平位置），當傾角接近90度時則無法測量。水平放置時應用如下的公式計算傾角：

　

　　可求得 為38.7度?？紤]到儀器的傾斜不應該大于±30度（如果大于±30度只能重新安裝），所以傳感器安裝時采用此種水平放置方法。

　　同時，為了進行傳感器自檢和內部校正，分別將傳感器的MISO、MOSI、SCK、CSB與單片機的P1.1、P1.2、P1.3、P1.4相連。MISO用于傳輸傳感器內部模數(shù)轉換器轉換的數(shù)字數(shù)據(jù)， MOSI與單片機的P1.2 引腳相連，用于向傳感器發(fā)送命令和進行傳感器內部自校正，使用軟件編程通過P1.3向SCK提供串口通訊脈沖。CSB為片選信號引腳。另外，SCA100T內部帶有溫度傳感器，可對溫度誤差補償，在商業(yè)溫度范圍內可不考慮溫度的影響。 

2.4一階低通濾波器

　　由于SCA100T系列內置一個11位的A/D轉換器，會產生周期為50-70微秒持續(xù)時間大約1微秒的毛刺，這個毛刺被疊加到模擬信號輸出端。在低速轉換時影響不大，但在進行高速轉換時可能引起測量錯誤。因此需要在模擬信號的輸出端加上一個一階低通濾波器，可有效濾除毛刺的影響。

2.5 電源部分

　　為了減少模擬信號噪聲，采用MAXIM公司的低噪聲高穩(wěn)定性MAX6325電源芯片給ADS1211提供參考電源，使用MAX6350芯片給ADS1211提供模擬電源，同時也給傳感器提供電源。

3.軟件設計

　　軟件分為下位機軟件和上位機軟件兩部分。

3.1單片機軟件編程

　　對于51系列單片機，目前有匯編、PL/M、C和BASIC四種語言支持。本文下位機軟件采用Keil C51程序編寫。主要由主程序、讀ADS1211子程序、讀SCA100T子程序、串口發(fā)送子程序和命令接收子程序等部分組成。圖1.4為程序流程圖：




　　圖4單片機程序流程圖

　　如圖所示，整個程序采用順序結構。為了加快系統(tǒng)的響應速度和提高計算，運算由上位機程序完成，下位機只負責數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸。命令接收子程序通過接收上位機傳輸?shù)拿钸M行系統(tǒng)自檢、參數(shù)修正等等。上位機的命令發(fā)送采用間隔10ms反復發(fā)送的方式，直到單片機將接收到的命令返回為止。如在1s內單片機沒有響應，則設置超時，系統(tǒng)復位單片機。

3.2 上位機軟件編程

　　單片機與上位機的通訊采用Visual C++6.0編寫，程序在Windows XP下編譯通過。 

3.2.1串行通訊的實現(xiàn)

　　目前串行通訊主要有兩種實現(xiàn)方法：一種是利用Windows AP  
I函數(shù)或是利用Microsoft Visual Studio的ActiveX控件MSComm。利用Ｗindows API函數(shù)進行串口編程實現(xiàn)了設備無關性，但此種不但調用了大量的API函數(shù)，還涉及到進程調用問題，編程十分復雜繁瑣。

　　本文采用MSComm控件，它間接調用Windows API函數(shù)，使編程人員在程序設計的時候不必再考慮復雜的系統(tǒng)函數(shù)，使編程工作變得簡便，同時又能滿足實際情況的工控要求。

　　實現(xiàn)測量系統(tǒng)與PC機的通訊，首先在程序里嵌入MSComm控件，并設置通訊參數(shù)，這里設置波特率為2400bps，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗位，接收數(shù)據(jù)時采用事件驅動方式，響應Oncomm事件，當接收緩沖區(qū)中接收到的字符數(shù)超過一定值產生緩沖區(qū)有字符事件。然后用GetInput（）讀取緩沖區(qū)，用SetInputMode（1）設置輸入數(shù)據(jù)類型為以二進制方式取回數(shù)據(jù)。這樣可以接收ASCII字符‘0’。

3.2.2 傾角的計算

　　由上位機取得數(shù)據(jù)后，按下面的修正公式計算：


4.結束語

　　本測量系統(tǒng)研制成功后，已經過了三個月的海試，工作穩(wěn)定，達到了預期的設計要求，取得了較好的效果。采用加速度計式的傾斜傳感器與傳統(tǒng)觸點電位器式的傾斜傳感器相比，有著無可比擬的優(yōu)點。如加速度計式的傾斜傳感器工作壽命長、高、響應速度快等優(yōu)點。

參考文獻

[1]. SCA100T datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/SCA100T_1135840.html.
[2]. ROM datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/ROM_1188413.html.
[3]. AT89S52 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/AT89S52_970343.html.
[4]. ADS1211 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/ADS1211_124637.html.
[5]. MAXIM datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/MAXIM_1062568.html.
[6]. MAX6325 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/MAX6325_1058495.html.
[7]. MAX6350 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/MAX6350_1058497.html.
[8]. e18 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/e18_1882266.html.
[9]. 胡漢才 單片機原理及其接口技術 清華大學出版社
[10]. 宋躍等 存儲示波表中常用電氣參數(shù)測量設計 微計算機信息 2005年21卷 11s期
[11]. 輝格科技 利用加速度傳感器測量傾角 技術文檔 
[12]. VTI Technologies  Improved Output Filtering  Technical Note 18
[13]. 龔建偉、熊光明 Visual C++/Turbo C串口通訊編程實踐 電子工業(yè)出版社