基于BMP085數字式氣壓傳感器的彈上高度測量系統設計*

殷希梅，楊 維，程洪濤

(1解放軍陸軍軍官學院，合肥230031;2總裝駐襄陽地區軍事代表室，湖北襄陽441021)

0 引言

隨著精確制導等各種信息化、智能化炮彈的發展，對炮彈在飛行過程中各種參數測試的要求也越來越高，同時要求測量器件具有體積小、功耗低、響應速度快及抗高過載能力。目前，對于飛行中的彈丸的高度測量主要是采用 GPS，這種方式方便、直接，而且GPS具有體積小、價格低等優點，但是GPS高程信息準確度，尤其在近地面時準確度相對較差，而且其安全性也可能受它國影響而不能得到保障，因此不能完全依賴GPS提供高度信息。無線電測高和激光測高也是常見的彈上測高方式，雖然精度較好，但成本相對較高，目前主要應用于彈道導彈[1]。

針對上述情況，提出了一種基于數字氣壓傳感器BMP085的高度測量方法，設計了具有溫度補償和校正功能的高精度高度測量系統。

1 系統總體設計

彈上高度測量系統主要由彈載高度傳感器和地面站上位機組成，系統原理框圖如圖1所示。其中彈載高度傳感器主要有4部分:1)ATmega16微控制器單元;2)BMP085氣壓采集單元;3)AT24C256存儲單元;4)電源模塊。

圖1 系統原理框圖

系統工作時，微控制器ATmega16通過模擬I2C接口與BMP085實現通信，獲取測點的溫度和經過溫度補償的壓力值，然后采用AT24C256存儲器對溫度、壓力數據進行非易失實時存儲，并將壓力、溫度數據通過彈載無線傳輸模塊實時傳輸到地面站。地面站接收數據后，上位機根據壓力與高度的轉換關系，求得在該氣壓下相對應的高度值，并對測量高度值進行補償修正，分析統計后存儲。

由于在彈體的飛行過程中，彈上電路系統要承受高速、高過載、高沖擊的惡劣環境。因此，為提高電路系統的抗過載能力，對印制電路板采用雙層設計，所有電子元器件選用貼片式、小封裝，并在裝配時對系統電路板進行固體灌封處理[2]。

2 硬件設計

2.1 芯片的選擇

為了滿足系統抗高過載的要求，采用德國BOSCH公司基于MEMS的BMP085氣壓傳感器[3]。BMP085是一款高精度、超低功耗數字氣壓傳感器，具有體積小(5.0mm*5.0mm*1.2mm)、穩定性好、低電壓(1.8～3.6V)、低功耗(在標準模式下工作電流5μA、待機電流小于 0.1μA)等特點。采用 8-pin無鉛陶瓷載體超薄封裝(LCC)，其壓力測量范圍為30～110kPa(相當于海拔 －500～9000m)，絕對精度可以達到0.03hPa(0.25m)，溫度測量范圍為 －40℃ ～+85℃，反應時間7.5ms，使用 I2C接口與微處理器通信。與其它數字氣壓傳感器相比，BMP085可抗高過載。

考慮到彈丸飛行時間短(一般小于2min)，測得的壓力、溫度數據量小。采用 ATMEL公司的AT24C256存儲器對測得的壓力、溫度數據作非易失實時存儲。AT24C256是兩線制串行E2PROM芯片，共有256kbit的存儲容量。具有結構緊湊、存儲容量大等特點，芯片與單片機之間使用I2C接口通信，接口電路簡單，操作方便[4]。

2.2 接口電路設計

ATmega16與BMP085和AT24C256的硬件連接圖如圖2所示。圖中BMP085的SCL、SDA引腳分別與ATmega16的模擬 I2C接口 PD3、PD4相連，而AT24C256存儲器的 SCL、SDA引腳則直接與ATmega16自帶的兩線串行接口TWI(I2C)連接。微控制器ATmega16的主時鐘(11.0592M)由外部晶振產生，BMP085無需外部時鐘電路，其串行時鐘信號SCL由ATmega16的I/O口PD3模擬產生。同時，按照I2C協議的接線要求，對BMP085和AT24C256的串行時鐘線SCL和串行數據線SDA接上拉電阻[5]。溫度、壓力打包數據通過ATmega16的串行輸出口TXD輸出。接口電路原理圖如圖2所示。

圖2 接口電路原理圖

3 軟件設計

3.1 彈載部分軟件設計

每個BMP085在出廠時都有一個針對模塊特有的11個校準數據，儲存在176位的E2PROM中。軟件設計時，微控制器ATmega16在初始化以后，通過模擬的I2C接口從BMP085的E2PROM中讀出校準數據(AC1 ～ AC6、B1、B2、MB、MC、MD)，然后循環讀取未得到補償的溫度值UT和壓力值UP，再按圖3所示的算法，計算出實際溫度T和補償后的壓力p。最后，將得到的實際溫度和壓力數據打包處理，存入AT24C256存儲器中，并將打包數據以50Hz的速率從ATmega16的TXD串口輸出給彈載無線傳輸模塊。測得的溫度、壓力數據通過彈載無線傳輸模塊實時傳輸到地面站。

圖3 主程序流程圖和補償算法

為了減少數據量，打包后的數據和串口輸出格式采用BCD碼格式，輸出內容包括:符號信息、溫度數據、壓力數據。輸出格式采用固定長度，每9個字節(Byte)為一組數據，如表1所示。

表1 數據輸出格式

例如，當前溫度為 +23.1°，氣壓為 101385Pa，數據輸出如下:

TT ZZ 02 31 PP 10 13 85 0A

3.2 地面站上位機軟件設計

3.2.1 壓力 －高度轉換及誤差修正原理

根據氣壓測高原理，在標準大氣條件下，載體所在處重力勢高度(即標準氣壓高度)H與氣壓p之間的關系如下式:

其中:R=287.05287m2/(s2·K)，代表空氣專用氣體常數;g表示自由落體加速度;β表示溫度的垂直變化率，高度在 0 ～ 11km 時，β = － 0.0065K/m，T0、p0、H0分別為參考平面的溫度、壓力和高度，標準大氣條件下，平均海平面處取如下值:p0=101.325kPa，T0=288.15K，H0為平均海平面的高度，規定為0m。

然而，以上關系式只有在實際大氣條件符合標準大氣各項規定的前提下才能成立，但是一般情況下實際大氣條件并不能滿足標準大氣的要求，尤其是在載體處于高速飛行的情況下，因此若按式(1)計算載體真實高度會產生較大的誤差，這種誤差是由于測量原理方法上不完善造成的，稱為“原理誤差”。為了減少這種誤差，可以考慮在測點附近(20km以內)尋找一個高度已知的參考點，通過該參考點的已知高度、溫度以及壓力數據對測量高度值進行修正，補償氣象環境變化對測點高度測量結果的影響，提高高度測量的準確性[6]。

因此，在地面站上位機軟件實現部分，采用文獻[6]給出的高度修正計算公式:

其中:H為測點的待求高度;p為測點壓力;Ta、pa、Ha分別為參考點的溫度、壓力和重力勢高度。

3.2.2 上位機軟件實現

圖4 上位機軟件流程圖

上位機軟件功能模塊主要包括:數據處理模塊、數據統計存儲模塊和數據圖形化模塊。軟件流程圖如圖4所示。軟件設計以循環作為主體，基本工作流程:先讀入已知參考點的高度、溫度、壓力數據和接收的測點實時壓力、溫度值，再按式(1)和式(2)解算測點高度，最后對解算的高度數據統計分析、存儲和圖形化處理。

4 實驗及結果分析

彈上高度測量系統的彈載高度傳感器樣機如圖5所示，樣機功耗小于0.5W，輸出頻率為50Hz。

4.1 實驗測試

圖5 彈載高度傳感器樣機

為驗證彈載高度傳感器及整個系統的性能，進行了3種地面靜態實驗。

4.1.1 錘擊試驗

為檢驗經過固體灌封處理后，樣機的抗過載能力，在沖擊試驗臺分別對3塊樣機進行了5000g、10000g和15000g的沖擊試驗。試驗后對樣機進行測試，3塊樣機均能正常工作。試驗結果表明，系統能夠承受高達15000g的沖擊過載。

4.1.2 絕對高度的測量

以合肥氣象站(海拔27 m)為參考點，在距其約15 km的合肥市區某處，不同時間段測量某已知高程控制點的高度，所得結果如表2所示。

表2 絕對高度的測量

4.1.3 相對高度的測量

在一高層建筑內，測量并記錄地面和5樓的高度(每次測量50組數據，取平均值)，測得地面的高度為24.29m，5樓的高度為40.11m。已知地面到5樓的實際高度為15m，通過測量的高度值可以得到地面到5樓的高度為15.82m，與實際高度僅相差0.82m。

4.2 結果分析

實驗測試結果表明，系統能夠承受高達15000g的沖擊過載，具有抗高過載能力;修正后的絕對高度測量誤差在5m以內，相對高度測量誤差小于1m，完全達到高精確測量的要求。而且，從實測數據分析可以看出，該系統還具有如下特性:在較短的測量時間內(5min以內)，系統具有很好的準確性、穩定性，很適合彈上高度測量;相對高度的測量具有很高的準確性。

5 結束語

對于彈丸飛行高度的測量，文中設計了一種具有溫度補償和校正功能的高精度高度測量系統。該系統體積小、功耗低、響應速度快、能抗高過載。通過地面靜態實驗表明，系統完全可以達到高精確測量的要求，可以應用于彈上高度測量。并且該系統在較短的測量時間內具有很好的準確性、穩定性，以及相對高度測量具有很高的準確性，上述特性可為高度傳感器與GPS構建組合測高系統以及組合系統融合算法的研究提供新的解決思路。

[1]同鳴.精確定高技術在常規彈引信上的應用[J].現代引信，1994(4):49－51.

[2]呂彩琴，翟成瑞.高過載測試中的電子線路灌封技術研究[J].機械工程與自動化，2009(5):91－94.

[3]Bosch.BMP085 用戶手冊[OL].http://www.bosch-sensortec.com.

[4]周巧娣，劉敬彪.AT24C256在單片機系統中的應用[J].國外電子元器件，2003(2):27－29.

[5]李曉鋒.AVR單片機原理與應用[M].北京:北京理工大學出版社，2010.

[6]趙天成，饒和昌.一種基于MS5803和氣象數據的高度測量方法[J].電子設計工程，2011，19(14):44－47.