摘  要： 設(shè)計(jì)了一種基于氣壓傳感器BMP085的高度測量系統(tǒng),。該系統(tǒng)以STM32F103RCT6嵌入式芯片為主控制器,，采用I2C硬件接口的方式讀取BMP085測量的氣壓值，并用溫度值對氣壓值進(jìn)行補(bǔ)償，然后根據(jù)大氣壓強(qiáng)與海拔高度的關(guān)系,，利用線性插值法計(jì)算絕對高度，進(jìn)而獲取相對高度,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，該系統(tǒng)測量的相對高度誤差為0.4 m，能夠達(dá)到高精度的要求,。
關(guān)鍵詞： BMP085,；氣壓傳感器；線性插值法,；高度測量

    近年來,，全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)在定位領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。在GPS信號接收狀況良好時(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)高度測算已經(jīng)成為一種研究趨勢,，采用這種方法可以彌補(bǔ)GPS定位時(shí)信號被遮擋的缺點(diǎn),。本文提出了一種基于BMP085數(shù)字氣壓傳感器的高度測量方法，設(shè)計(jì)了一種通過STM32F103RCT6微處理器控制的高度測量系統(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,、飛行高度測量等多種場合。
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,，微處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償后,，再將氣壓、高度等數(shù)據(jù)通過串口輸出到PC上,，并在PC上顯示,。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

1.1 BMP085數(shù)字氣壓傳感器
    BMP085是德國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I2C總線與移動設(shè)備的微處理器連接[3],。E2PROM中存儲了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],，用于對氣壓值進(jìn)行溫度補(bǔ)償,。BMP085的氣壓測量范圍為300 hPa~1 100 hPa(海拔高度-500 m~9 000 m)，溫度測量范圍為-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,，能夠滿足系統(tǒng)對速度和精度的要求。
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)線對應(yīng)的引腳分別為PB6,、PB7,，而I2C2的SDA和SCL對應(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管腳都是漏極開路(或集電極開路)輸出結(jié)構(gòu),，因此實(shí)際使用時(shí),，SDA和SCL信號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)，測量所得的氣壓和高度等數(shù)據(jù)通過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,。

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),。

    下面對I2C讀寫方式、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,。
      對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,。

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),，再從指定的寄存器中將未經(jīng)補(bǔ)償?shù)臏囟群蜌鈮褐底x取出來，然后采用BMP085數(shù)據(jù)手冊提供的補(bǔ)償算法對溫度值和氣壓值進(jìn)行補(bǔ)償,。該算法中,，需要根據(jù)所設(shè)置的過采樣參數(shù)OSS(Oversampling Setting)的值來選擇BMP085的工作模式，OSS的值決定了測量精度和轉(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,。

    
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STM32F103RCT6微處理器對高度進(jìn)行實(shí)際的測算[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應(yīng)的氣壓值。每個(gè)氣壓數(shù)據(jù)點(diǎn)為xi,，其對應(yīng)的高度數(shù)據(jù)點(diǎn)為yi,，P(x)即為系統(tǒng)所要測量的海拔高度值。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)測試結(jié)果
    下面給出對一幢大樓進(jìn)行高度測試實(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,，首先測量大樓樓頂?shù)暮０胃叨龋缓鬁y量地面的海拔高度,，兩者相減得到相對高度,，即大樓的高度。
    實(shí)際測量海拔高度時(shí),，每隔2 min測量一次,，每次記錄30行數(shù)據(jù)的平均值，記錄下10組測量數(shù)據(jù)。兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示,，大樓相對高度與實(shí)際高度的對比如圖7所示,。

    對圖7中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算得到10組相對高度數(shù)據(jù)的平均值為17.3 m,。經(jīng)實(shí)地測量,，大樓的實(shí)際高度為16.9 m。因此本系統(tǒng)測量的相對高度誤差為0.4 m,，達(dá)到了預(yù)期的精度要求,。
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)算得到的相對高度值可以抵消由此產(chǎn)生的誤差,。

 
    本文提出的基于氣壓傳感器BMP085的高度測量系統(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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