摘 要： 設(shè)計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行補償，然后根據(jù)大氣壓強與海拔高度的關(guān)系，利用線性插值法計算絕對高度，進而獲取相對高度。實驗結(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，能夠?qū)崿F(xiàn)全球范圍內(nèi)的實時定位，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，利用基于微機電系統(tǒng)MEMS(Micro Electromechanical System)技術(shù)的傳感器實現(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GPS定位時信號被遮擋的缺點。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，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
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)進行補償后，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個校準參數(shù)，這11個校準參數(shù)涉及到參考溫度下的零點漂移、零點漂移的溫度系數(shù)以及靈敏度的溫度系數(shù)等[4]，用于對氣壓值進行溫度補償。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到0.03 hPa(0.25 m)，轉(zhuǎn)換速率可以達到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
STM32F103RCT6是一款基于32位ARM CortexTM-M3 RISC內(nèi)核的增強型微控制器[5]，包含2個I2C接口，便于與外圍設(shè)備之間進行通信，其中I2C1的串行數(shù)據(jù)(SDA)線和串行時鐘(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)，因此實際使用時，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，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機相連，U4為本系統(tǒng)的核心芯片STM32F103RCT6微處理器。
2 單片機軟件設(shè)計
單片機軟件設(shè)計流程如圖3所示。首先進行系統(tǒng)初始化，包括系統(tǒng)時鐘(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個校準參數(shù)。然后每隔10 ms從寄存器中讀取未經(jīng)補償?shù)臏囟群蜌鈮褐担眯蕝?shù)對其進行補償，并采用線性插值法計算海拔高度，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)補償以及線性插值法計算海拔高度部分進行重點介紹。
2.1 硬件方式實現(xiàn)I2C接口
本系統(tǒng)的BMP085和STM32F103RCT6之間通過I2C總線進行通信。I2C接口有兩種實現(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)采用硬件方式實現(xiàn)I2C接口通信。雖然硬件實現(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方式在實時性和傳輸速度上有很大的優(yōu)勢。
對I2C口進行初始化時，配置I2C為7位地址模式，時鐘頻率為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(主機請求從機數(shù)據(jù))，為“0”表示主傳輸模式(主機向從機輸出數(shù)據(jù))[5]。當采用單字節(jié)讀寫方式時，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)補償
由于海拔高度和大氣壓強的關(guān)系受溫度的影響，因此需要用溫度值對氣壓值進行補償。BMP085氣壓傳感器的E2PROM中有原廠自帶的11個校準參數(shù)，每一個傳感器的校準參數(shù)都不同。在第一次讀取氣壓和溫度值之前，必須先讀取E2PROM中的校準參數(shù)，再從指定的寄存器中將未經(jīng)補償?shù)臏囟群蜌鈮褐底x取出來，然后采用BMP085數(shù)據(jù)手冊提供的補償算法對溫度值和氣壓值進行補償。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)換時間，BMP085的4種工作模式如表1所示[3]。本系統(tǒng)的單片機軟件中將OSS的值設(shè)置為“0”，即選擇低功耗工作模式。
后的氣壓值，p0為標準大氣壓，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，可以發(fā)現(xiàn)大氣壓強與實際海拔高度之間存在非線性關(guān)系。如果直接用單片機微處理器計算此式，則程序較復(fù)雜、占用內(nèi)存空間較大，影響了運算速度。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微處理器對高度進行實際的測算[7]。
2.3.2 線性插值法計算海拔高度
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)表格中相鄰兩個數(shù)據(jù)點之間客觀地存在著某種變化規(guī)律，在相鄰的各已知點間構(gòu)造一個簡單的近似函數(shù)，近似函數(shù)的值取離散數(shù)據(jù)，然后根據(jù)己知點的函數(shù)值求出所要點的函數(shù)值[7]。本文采用線性插值法來計算海拔高度，假設(shè)系統(tǒng)輸入為x，并且xi<x<xi+1時，在此區(qū)間內(nèi)可近似認為測量系統(tǒng)的靜態(tài)輸入/輸出的關(guān)系為線性關(guān)系，即P(x)=α0+α1x，其點斜式插值公式為：
國際標準大氣壓數(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。每個氣壓數(shù)據(jù)點為xi，其對應(yīng)的高度數(shù)據(jù)點為yi，P(x)即為系統(tǒng)所要測量的海拔高度值。在實際應(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行高度計算，這樣在很大程度上避免了乘方運算的復(fù)雜性[8]。
3 實驗結(jié)果及分析
3.1 實驗測試結(jié)果
下面給出對一幢大樓進行高度測試實驗的記錄情況。分為兩次實驗，兩次實驗在同一時間段內(nèi)進行，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。
實際測量海拔高度時，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)。兩次實驗結(jié)果如圖6所示，大樓相對高度與實際高度的對比如圖7所示。
對圖7中的數(shù)據(jù)進行分析，計算得到10組相對高度數(shù)據(jù)的平均值為17.3 m。經(jīng)實地測量，大樓的實際高度為16.9 m。因此本系統(tǒng)測量的相對高度誤差為0.4 m，達到了預(yù)期的精度要求。
3.2 誤差分析
由于大氣壓強易受天氣、溫度等因素影響而發(fā)生變化，導(dǎo)致計算得出的絕對海拔高度值不穩(wěn)定，變化范圍較大，本實驗計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，采用線性插值法計算海拔高度，減小了運算的復(fù)雜性。同時，利用硬件方式實現(xiàn)I2C接口，保證了較快的傳輸速率。經(jīng)實驗驗證，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，適合安裝在移動設(shè)備中，實用性較強，可以應(yīng)用于軍事、工業(yè)和商業(yè)等多個領(lǐng)域，有著廣泛的應(yīng)用前景。
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