在自動控制和工程設計中，常常需要對某一個平面或基準進行傾角測量，或進行自動水平調(diào)節(jié)，特別是在自動控制中，經(jīng)常需要對某一物體進行動態(tài)水平控制，這就要求儀器能對水平傾角進行自動動態(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)進行快速調(diào)平或?qū)δ承┭b置與水平面的傾斜角進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。為了進行寬工作溫度范圍的高精度測量，必須對電子傾角器進行溫度補償。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。將該模擬電壓進行A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機，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，通過編制好的計算程序進行計算，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。本文將詳細地闡述系統(tǒng)硬件電路設計以及軟件設計。
1 系統(tǒng)硬件設計
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。
　　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。
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)后必須跟一個應答位(ACK)，數(shù)據(jù)傳送首先傳最高位(MSB)。
2 系統(tǒng)軟件設計
　　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子程序等組成。傾角器溫度補償?shù)南嚓P參數(shù)存放在DS1624的E2ROM中，必要時上位計算機通過控制命令對其進行修正。中斷服務程序隨時接收上位計算機的控制命令，進行系統(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)，并進行補償運算。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)進行算術平均，然后再采集一次環(huán)境溫度如此，如此循環(huán)往復。
　　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償是對零位和靈敏度的補償，所以經(jīng)過溫度補償?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，首先對其進行初始化，根據(jù)系統(tǒng)設計的要求，確定相關的參數(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 串口中斷服務程序
　　如果更換電子傾角器，那么其相應的參數(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行修改。單片機計算得到的結(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。串口中斷服務的流程圖如圖7所示。