基于SOC的高精度倾角测量系统的设计
摘要：为解决自动水平调节系统和工程应用中倾角测量高成本、低精度的问题，提出了一种利用MEMS双轴倾角传感器、信号调理和SOC等电路实现高精度倾角测量的方法，并从传感器信号稳定性处理、温度补偿、信号采集处理、基准源设计和信号曲线拟合方法等多角度实现了倾角的低成本、高精度测量。实验测试表明，系统最大绝对误差小于0.005°，相对误差小于0.02%。
在地质石油勘探、设备安装、道路桥梁建设等工程应用以及机器人控制、坦克和舰船火炮平台控制、飞机姿态控制等系统的自动水平调节中，都需要高精度的倾角测量。但高精度的倾角，测量设备通常体积较大，成本高，使许多工程应用受到限制。本文从倾角的高精度测量出发，着重介绍了倾角传感器输出稳定性处理、温度补偿、非线性处理(正弦曲线拟合)、信号调理及其测量电路的特殊处理等。
1 倾角测量系统的硬件设计
倾角测量系统硬件部分主要由MEMS传感器(含双轴倾角传感器和温度传感器)、SOC电路、数据处理及传输和其他辅助电路等模块组成。倾角测量系统的组成框图如图1所示。
1．1 MEMS倾角传感器接口
MEMS倾角传感器采用芬兰VTI Technologies公司的SCA100T系列中的SCA100T-D01，测量范围为±30°。SCA100T系列是采用微机电系统(MEMS)技术制造的一款高分辨率双轴倾角传感器。SCA100T-D01数字输出分辨率为0．035°／LSB，模拟输出分辨率为0．002 5°。模拟输出的分辨率大大高于数字输出的分辨率，故本设计采用其模拟输出。模拟输出将涉及较为复杂的模拟信号处理，如果模拟信号处理不当，系统的分辨率和精度将大打折扣，有时甚至还不如数字输出。采用合理的模拟信号处理电路是保证系统精度的方法之一。
SCA100T-D01内置温度传感器，可以通过其自带的SPI数字接口读取温度值，并在处理器中进行相应的温度补偿。这是保证系统精度的又一方法。
1．2 阻抗匹配及放大
SCA100T-D01输出阻抗为10 kΩ，为保证MEMS倾角传感器SCA100T-D01输出的信号有效地传递，即要求衰减最小，设计中采用了具有高输入阻抗的场效应管型运放TL081设计了阻抗匹配电路，采用同相输入，以提高输入阻抗。
信号放大电路采用ICL7653斩波稳零运算放大器来完成，如图2所示。ICL7653具有极低的失调电压和偏置电流，具有较高的工作稳定性和优良的高精度放大功能。ICL7653斩波稳零使用内部时钟时，在CA、CB与CR端之间加上0．1 μF的低泄放、高稳定性的聚酯或聚丙烯电容。同时在双电源接入端进行滤波和去耦处理。
1．3 差分转换及驱动
