在自動控制和工程設(shè)計中,，常常需要對某一個平面或基準(zhǔn)進(jìn)行傾角測量，或進(jìn)行自動水平調(diào)節(jié),，特別是在自動控制中,，經(jīng)常需要對某一物體進(jìn)行動態(tài)水平控制，這就要求儀器能對水平傾角進(jìn)行自動動態(tài)跟蹤測量^[1],；在某些高精度的測量系統(tǒng)中,，還要求對系統(tǒng)進(jìn)行快速調(diào)平或?qū)δ承┭b置與水平面的傾斜角進(jìn)行快速高精度的測量。這些都是傳統(tǒng)傾角測量系統(tǒng)和水平儀很難做到的,。以電子傾角器為傳感器而設(shè)計的數(shù)字傾角測量系統(tǒng)或數(shù)字水平儀不僅能滿足自動測量與控制的要求,，而且能使測量的精度和速度大大提高。
　　以往使用電子傾角器作為傳感器而設(shè)計的數(shù)字水平儀和電子傾角測量系統(tǒng),，沒有考慮環(huán)境溫度對測量精度的影響,，故無法滿足某些高精度調(diào)平和傾斜角測量的需求。為了進(jìn)行寬工作溫度范圍的高精度測量,，必須對電子傾角器進(jìn)行溫度補(bǔ)償,。這里介紹一種高精度的數(shù)字傾角測量系統(tǒng)，它利用Jewell Instruments公司的LCF-100型傾角器作為傾角傳感器,，其輸出的模擬電壓與傾斜角正弦成比例,。將該模擬電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，同時利用溫度傳感器實時采集傾角器周圍環(huán)境的溫度,，也送入單片機(jī),，通過編制好的計算程序進(jìn)行計算，將計算結(jié)果通過串口" title="串口">串口中斷方式傳送到上位計算機(jī),。本文將詳細(xì)地闡述系統(tǒng)硬件電路設(shè)計以及軟件設(shè)計,。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
1.1系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
　　高精度數(shù)字傾角測量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。單片機(jī)選用ATMEL公司的AT89C52,，利用其提供的軟硬件資源,，完成系統(tǒng)的控制以及采集數(shù)據(jù)的計算。系統(tǒng)的主要部分包括：電子傾角器、二階低通濾波器,、A/D轉(zhuǎn)換器ADS1210,、AT89C52、溫度傳感器DS1624,、電源以及向上位計算機(jī)傳送數(shù)據(jù)的通訊接口電路等,。

　　電子傾角器選用Jewell Instruments公司生產(chǎn)的LCF-100型電子傾角器，它屬于力平衡式伺服系統(tǒng)電子傾角器,，測量范圍為-1°～+1°,，其輸出為模擬電壓，與傾斜角度的正弦成正比,。該傾角器具有分辨率高,、響應(yīng)速度快、線性度好等特點,。由于電子傾角器輸出的模擬電壓含有高次諧波,，因此通過二階低通濾波器濾除輸出信號的高頻分量。
　　A/D轉(zhuǎn)換器將電子傾角器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,，其分辨率的高低將直接影響系統(tǒng)的測量精度,。根據(jù)設(shè)計要求，本系統(tǒng)采用Burr-Brown公司ADS1210作為電子傾角器的A/D轉(zhuǎn)換器,，它是一個24位分辨率,、寬動態(tài)范圍、單5V電源供電,、帶自校正功能的Σ-Δ高精度A／D轉(zhuǎn)換器,，其內(nèi)部由可編程增益放大器、二階Σ-Δ調(diào)制器,、調(diào)制器控制單元,、三階數(shù)字濾波器、微控制器,、寄存器組,、基準(zhǔn)參考源和時鐘電路等組成^[2]。ADS1210將轉(zhuǎn)換的數(shù)字量通過I²C總線傳送到單片機(jī),。
　　溫度傳感器選用Dallas Semiconductor 公司的DS1624數(shù)字溫度測量計,，它具有測量精度高、測量溫度范圍寬,，易與單片機(jī)接口等特點,，其內(nèi)部還帶有256字節(jié)的E²PROM，用于存儲測量系統(tǒng)的修正參數(shù)^[3],。溫度傳感器實時采集系統(tǒng)的環(huán)境溫度,，將采集的溫度值通過I²C總線送入單片機(jī),。
1.2 ADS1210和DS1624與AT89C52的接口電路
　　ADS1210和DS1624與AT89C52的接口電路如圖2所示。傳感器的輸出接到ADS1210的AINP和AINN輸入端,。在這里,，ADS1210和AT89C52采用的是三線連接，,、SDIO,、SCLK分別與P12、P13,、P14相連接,，其中SDIO用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出，直接接地,，MODE接地表示從機(jī)方式。由于在本系統(tǒng)中只用了一塊ADS1210,，故可將與DVDD直接相連,。

　　利用AT89C52的P1口的P10和P11分別與DS1624的引腳SCL和SDA相連構(gòu)成I²C總線。I²C總線是一種串行數(shù)據(jù)總線,，只用兩根信號線,，一根是雙向數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時鐘線SCL,。在I²C總線上傳送的一個數(shù)據(jù)字節(jié)由八位組成,，總線對每次傳送的字節(jié)數(shù)沒有限制，但是每個字節(jié)后必須跟一個應(yīng)答位(ACK),，數(shù)據(jù)傳送首先傳最高位(MSB),。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
　　本系統(tǒng)軟件采用匯編語言編程，由主程序,、計算子程序" title="子程序">子程序,、ADS1210讀寫子程序、DS1624讀寫子程序和串口中斷服務(wù)子程序等組成,。傾角器溫度補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)參數(shù)存放在DS1624的E2ROM中,，必要時上位計算機(jī)通過控制命令對其進(jìn)行修正。中斷服務(wù)程序隨時接收上位計算機(jī)的控制命令,，進(jìn)行系統(tǒng)自檢,、參數(shù)修正、數(shù)據(jù)輸出等,。
2.1 主程序
　　主程序完成初始化后,，實時采集環(huán)境溫度和電子傾角器數(shù)據(jù)，并進(jìn)行補(bǔ)償運算,。為了保證采集傾角器數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,，采集一次環(huán)境溫度數(shù)據(jù)后,，連續(xù)采集10次傾角器數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，然后再采集一次環(huán)境溫度如此,，如此循環(huán)往復(fù),。
　　主程序的流程如圖3所示。

2.2 計算子程序
　　電子傾角器輸出的模擬電壓V與傾斜角度θ的正弦近似成線性關(guān)系,，即：
　　V=V₀+K₀×sinθ　　　　(1)
　　其中,K₀是電子傾角器的轉(zhuǎn)換比例因子" title="比例因子">比例因子,。
　　因傾角器的測量范圍為±1°，可以用弧度值替代角度的正弦值,，其計算誤差為:
　　
　　從公式(2)可以看出,，傾斜角度θ是隨環(huán)境溫度線性變化的函數(shù)，而線性傳感器的溫度補(bǔ)償是對零位和靈敏度的補(bǔ)償,，所以經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)膬A角器輸出為：
　　
　　式中,K為零位溫度系數(shù),，K1為比例因子溫度系數(shù)。
　　用AD表示A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù),；K_AD表示A/D轉(zhuǎn)換器的輸出斜率,，單位：1/V；B0表示基準(zhǔn)零偏電壓,，單位：V,；B_temp表示零點偏差系數(shù)，單位：V/℃,；ΔT表示溫度變化量,，單位：℃；S.F._Temp表示比例因子溫度系數(shù),；Title表示修正后的傾角,，單位：″。則(3)式變?yōu)椋?BR>
　　由(9)式可以計算出溫度補(bǔ)償后的修正傾角,。
　　計算子程序的流程如圖4所示,。

2.3 ADS1210的編程
　　對ADS1210編程，首先對其進(jìn)行初始化,，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求,，確定相關(guān)的參數(shù)，如增益PGA,、加速因子TMR,、數(shù)據(jù)輸出率DR(抽取率)等。在初始化子程序中,，將這些相關(guān)的參數(shù)寫入CMR,。啟動ADS1210的轉(zhuǎn)換，然后調(diào)用讀DOR寄存器子程序,，將轉(zhuǎn)換的結(jié)果讀到單片機(jī)中,。ADS1210的初始化流程和讀DOR寄存器流程如圖5所示,。

2.4 DS1624的編程
　　由于將DS1624的引腳SCL和SDA與AT89C52的P10和P11相連構(gòu)成I²C總線，對DS1624的讀寫操作都要遵循I²C總線協(xié)議,。利用單片機(jī)可以仿真I²C總線的讀／寫時序,。I²C總線的控制主要包括以下五部分：開始、讀數(shù)據(jù),、寫數(shù)據(jù),、應(yīng)答、停止,。
　　DS1624的編程包括以下幾個子程序：初始化子程序,、啟動溫度轉(zhuǎn)換子程序、讀取溫度值子程序,。在初始化子程序中,，向配置/狀態(tài)寄存器寫一個字節(jié)的數(shù)據(jù)用以將DS1624的工作方式設(shè)為連續(xù)轉(zhuǎn)換方式。
　　DS1624的初始化子程序,、讀取溫度值和啟動溫度轉(zhuǎn)換子程序流程圖如圖6所示,。

2.5 串口中斷服務(wù)程序
　　如果更換電子傾角器，那么其相應(yīng)的參數(shù),，如固定零偏差、零偏的溫度系數(shù),、比例因子,、比例因子溫度系數(shù)等都會發(fā)生變化。為了提高系統(tǒng)的通用性,，將這些參數(shù)通過串口中斷的方式進(jìn)行修改,。單片機(jī)計算得到的結(jié)果即修正角度也是通過串口中斷的方式輸出的。本系統(tǒng)的串口中斷服務(wù)程序包括以下幾個命令：寫零偏差,、寫零偏溫度系數(shù),、寫傾角器轉(zhuǎn)換比例因子、寫比例因子溫偏差,、寫ADS1210的轉(zhuǎn)換比例,、寫ADS1210的轉(zhuǎn)換速率、寫角度校準(zhǔn)值,、初始化E²ROM中的數(shù)據(jù),、讀溫度值、讀計算后修正角度值,、檢查寫進(jìn)數(shù)據(jù)的正確性,、檢查芯片是否工作正常等。串口中斷服務(wù)的流程圖如圖7所示,。