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基于SCA100T的深部位移传感器设计

郭伟，王晨辉，杨凯

（中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定 071051）

文章已被仪表技术与传感器杂志社录用，仪表技术与传感器杂志投稿网址链接：http://www.zazhi114.cn/yibiaojishuyuchuanganqi

摘要：针对地质灾害滑坡深部位移监测对传感器采集精度高的要求，设计了一种基于SCA100T的高精度深部位移传感器，可实现对滑坡深部位移数据的精确采集。详细介绍了系统总体结构设计、软硬件设计方案。通过实验分析和示范区应用，精度达到0.005°，满足地质灾害滑坡深部位移监测需求。

关键词：STM32；SCA100T；深部位移；地质灾害；滑坡监测

中图分类号: TH25　　 文献标识码: A 文章编号：

0 引言

在地质灾害滑坡监测中，分为地表位移监测和深部位移监测，地表位移监测通常采用拉绳位移传感器一维^[1]和GNSS地表X、Y、Z轴三维位移监测^[2][3]，对于深部位移监测一般采用钻孔倾斜仪测量深部位移^[4][5]。深部位移监测原理是通过测量滑坡滑动带倾角变化度，后经过三角函数计算出水平位移^[5]，因此倾角传感器的稳定性和测量精度严重影响深部位移的监测精度。本文利用微处理器STM32F103和基于MEMS（micro electro mechanical system）技术的SCA100T倾角芯片设计了一种深部位移监测用传感器，并于2017年10月在湖南辰溪县示范区进行了野外应用，结果表明该传感器具有精度高，功耗低和性能稳定的特点，极大的提高了深部位移监测的精度。

1 系统总体设计

深部位移传感器系统结构主要由低功耗微处理STM32F103、电源模块、倾角传感芯片SCA100T、高精度参考电压模块REF5025MDTEP、24位A\D转化模块TM7707、外部程序存储器24AA16、数字信号输出模块RS485和DTU\上位机组成^[6]。STM32F103C8T6作为系统主要核心，控制协调外设的工作，包括数据采集、存储和传输；倾角传感芯片SCA100T-D01可以灵敏的感知X、Y轴倾角变化，通过模拟口将角度数据输出，另外通过SPI接口将片内温度数据输出作为输出角度信号的温度补偿^[7]；参考电压模块REF5025MDTEP可以为A\D模块提供高精度的2.5V参考电压，保证数据的采集精度；模数转换模块TM7707具有2路差分输入通道，适用于低频测量的倾角采集，利用∑-△转化技术实现了24位无丢失代码性能；STM32F103将采集处理后的角度数据按照Modbus RTU协议通过RS485接口输出^[8]，可以通过现有的RTU将数据传输到数据监控中心或通过上位机显示输出测量数据，系统总体结构框图如图1所示。

图1 系统总体结构框图

2 系统硬件电路设计

2.1 微控制器简介

微控制器采用基于ARMv7架构Cortex-M3内核的增强型32位微控制器STM32F103C8T6。其主频达72MHz，内置64K字节的闪存和20K字节的SRAM，具备丰富的外设资源和接口，主要包括2路SPI、2路I2C、3路USART等通信接口。可提供睡眠、停机和待机三种工作模式，可以灵活的设计程序，有效保证系统的低功耗性，而且Thumb-2指令集可有效提高系统运行的效率与实时性^[9]。

2.2 电源电路设计

深部位移监测系统一般工作在野外环境，通常采用太阳能电池板+蓄电池为其供电^[6]，系统工作的稳定与电源有至关重要的关联性，另外倾角传感芯片输出的信号精度和A\D采集精度也与电源的质量有关，因此需要对电源设计提高要求。系统所需的电源主要有+5V、+3.3V和+2.5V，倾角传感芯片的工作电压为+5，由太阳能电池板+蓄电池提供12V VDD_IN，经TPS7A4700电压转化芯片输出，将芯片管脚6、10接地，构成1.4V+3.2V+0.4V=5V高精度电压，其电路图如图2所示。

图2 5V电源电路原理图

微控制器的工作电压为3.3V，由转化后的5V电压通过XC6206-3.3电压转化芯片转换成3.3V电压，电压精度能达到1%，最大输出驱动电流250mA，满足微控制器的工作需求，电路原理图如图3所示。

图3 3.3V电源电路原理图

A\D模数转化芯片TM7707的工作电压由5V提供，另外考虑到A\D转化的参考电压VREF+对精度的要求，采用REF5025电压转换芯片由输入5V得到2.5V电压。该芯片具有低至5ppm/℃的温度漂移，0.08%的输出电压精度，其优异的性能保证了24位A\D的采集精度，2.5V电源转换原理图如图4所示。

图4 2.5V电源电路原理图

2.3 AD转化电路设计

AD采用外部模数转换芯片TM7707，它是TITAN公司推出的一款针对低频测量的2通道的低成本、高分辨力的模数转化器。由于采用∑-△结构，实现了24位无丢失代码性能模数转化，可以使得该器件在噪声环境下免受干扰，很适合用于工业和工艺控制。具备双通道全差分模拟输入，当电源电压为5V、基准电压为2.5V时，可以处理±20mV～±2.5V的双极性输入信号，非线性为0.003%，非常适合SCA100T双轴倾角传感芯片的采集应用。TM7707与STM32接口电路如图5所示，通过SP11接口将AD转换的数据发送给微处理器进行数据处理。

图5 AD接口电路

2.4 传感器电路设计

SCA100T倾角传感芯片是芬兰VTI公司利用MEMS微电子技术开发的一种加速度传感器，该器件内部包含2路硅敏感微电容传感器和一个ASIC专用集成电路，集成了EEPROM校准寄存器、信号调节过滤电路、A\D转换器、温度传感器和SPI串行通信接口^[10]。SCA100T-D01是X、Y双轴倾角输出传感，单轴有效输出范围为±30°，模拟输出可达0.002°分辨率^[11]。对震动不敏感，由于内部集成有过阻尼感应原件，能够承受大于20g的机械振动^[7]。该器件具有功耗低（3mA/5V）、体积小、重量轻（1.2g）、抗冲击和稳定性好的特点。SCA100T-D01与STM和TM7707的接口电路如图6所示，传感器芯片的OUT_1(X)、OUT_2(Y)分别与TM7707的AIN1+(X)，AIN2+(Y)相连。芯片本身的SPI接口与STM的SPI2接口相连，将片内温度数据传输给微处理器进行处理。

图6 传感器接口电路

3 系统软件设计

整个系统软件在ARM公司的KeilμVision5集成开发环境完成的，系统软件设计主要包括微控制器软件设计、倾角传感片内温度采集软件设计、倾角AD采集和温度补偿软件设计。

3.1微控制器软件设计

微控制器主要完成数据采集、存储和传输。软件设计主要包括对系统时钟、IO口、定时中断、串口中断、外部中断、SPI、EEPROM等接口和变量的初始化。定时器TIME3中断主要产生任务标志，协调各模块高效工作，减少while轮询产生的时间浪费；串口中断主要用来响应来自数据采集仪或上位机发来的请求，包括传感器参数设置或结果数据上传；SPI1用来读取经由TM7707 AD采集转换的倾角数据；SPI2用来直接读取倾角芯片的内部温度数据作为温度补偿，主程序流程图如图7所示。

图7 主程序流程图

3.2 片内温度采集软件设计

倾角传感器是一种精密测量设备，但其精度会随着温度的变化而变化，为了提高设备的稳定性，对其进行温度补偿。SCA100T倾角传感器芯片内部集成了温度采集电路，可通过SPI串口方式进行读取，读取的温度数据可由公式（1）处理得到：

（1）

式中，T为转换的实际温度值，a为读取的片内温度。

将采集的片内温度进行温度偏差和灵敏度偏差计算，其计算结果见公式（2）、（3）：

（2）

（3）

式中， b为平均角度温度曲线值，c为平均灵敏度温度曲线值。

将以上结果值保存，供角度补偿计算用，其软件流程如图8所示。

图8温度采集流程图

3.3 倾角值采集及温度补偿软件设计

倾角值采集由AD 和微控制器共同完成，为了提高采集精度，采用TITAN公司的24位无丢失代码TM7707芯片进行AD转化，将SCA100T芯片X、Y轴倾角模拟输出端与TM7707采集通道AIN1+、AIN2+相连，配置SPI1串口和数据转换完成标志位，实现数据转化完成外部中断读取数据。数据读取及温度补偿流程如图9所示。

图9 倾角采集及温度补偿流程图

读取数据后进行滤波预处理，将数字值转换成浮点数Vout，根据公式（4）计算校准后的灵敏度为：

（4）

式中，S为校正后的灵敏度，SENS为校正前系统默认的值（4V/g）^[5]。

将校正后的灵敏度系数S带入角度转换公式（5）得到温度校准后的加速度弧度，其计算公式为：

（5）

式中，R为校准后的加速度弧度，offset为0°输出的电压值（2.5V）。

将计算的弧度通过公式（6）转换为角度值，其公式为：

D0=180*R/3.1415926535898 （6）

式中，D0为转换后的未校准角度值，通过公式（7）进行校准，其公式为：

D=D0-b （7）

D为经温度补偿后的最终角度值，倾角传感器的Y轴角度处理同通X轴。

4 系统测试与分析

为了验证上述传感器的性能和精度，在野外示范点选取一处滑坡灾害监测点进行测试，2017年10月安装完至今，传感器一直工作正常，设置数据采集仪采集间隔为两小时，到目前共回传了2000多条数据，如图10所示，2018.7.25、2018.7.26、2018.7.27三天回传的数据中，深部位移下X轴的角度变化在-0.199至-0.203之间，变化幅度为0.004度，深部位移下Y轴的角度变化在-1.01至-1.015之间，变化幅度为0.005度。由数据表明上述传感器性能稳定，且精度达到预期要求，完全满足地质灾害滑坡的深部位移监测要求。