專(zhuān)利名稱：一種嵌入式便攜氣壓高度計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種氣壓測(cè)高儀器的設(shè)計(jì)，更具體地說(shuō)，提供一種嵌入式便攜氣壓高度計(jì)。
背景技術(shù)：
氣壓高度計(jì)是基于氣壓隨高度升髙而降低這一原理設(shè)計(jì)的。目前應(yīng)用較為廣泛的是數(shù)字 式氣壓高度計(jì)，如2008年7月30日公開(kāi)的實(shí)用新型專(zhuān)利氣壓高度計(jì) (zl200720041374,3)包括測(cè)量單元，接口通信電路和系統(tǒng)電源，其中測(cè)量單元包括數(shù)字 式氣壓傳感器以及與其相連的微處理器；接口通信電路包括邏輯電平轉(zhuǎn)換電路和接口通信電 路；系統(tǒng)電源包括降壓電路，傳感器及微處理器供電電路，接口通信電源電路?？梢钥闯?， 目前存在的氣壓髙度計(jì)一方面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，不便攜帶；另一方面只能作為測(cè)量高度
的獨(dú)立模塊，無(wú)法嵌入其他系統(tǒng)，與其他系統(tǒng)組合使用，也就是無(wú)法將氣壓高度計(jì)與pc機(jī)
或者其他系統(tǒng)相連完成高度數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存管理以及統(tǒng)計(jì)處理等后續(xù)工作。例如在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域
中，如果可以將高度數(shù)據(jù)輸出到pc機(jī)中，或利用接口直接與其他導(dǎo)航設(shè)備進(jìn)行連接，就可
以利用高度數(shù)據(jù)與其它數(shù)據(jù)的結(jié)合完成導(dǎo)航定位、完好性監(jiān)測(cè)等功能。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足而提供一種嵌入式便攜氣壓高度計(jì)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是本實(shí)用新型由數(shù)據(jù)采集單元、接口 通信電路、線性穩(wěn)壓器以及上位機(jī)四個(gè)模塊組成；數(shù)據(jù)采集單元完成氣壓、溫度的測(cè)量；接 口通信電路功能是將數(shù)據(jù)采集單元采集到的溫度、壓力數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)，由上位機(jī)軟件處 理得到高度數(shù)據(jù)，接口通信電路可以采用串行通信端口 rs-232, usb接口以及1394接口 中的任何一種與pc機(jī)相連；線性穩(wěn)壓器為各模塊提供所需電壓；上位機(jī)加入了固定高度參 考點(diǎn)的溫度氣壓修正模塊，通過(guò)修正可以消除外部環(huán)境變化引起的誤差。
本實(shí)用新型有益效果在于 '
1. 采用任何一種接口通信電路與pc機(jī)相連，都可以利用pc機(jī)提供的電源供電，無(wú)需 單獨(dú)的電源模塊，又因?yàn)楸緦?shí)用新型所釆用的各芯片體積小，導(dǎo)致本實(shí)用新型最終體積較以 往氣壓髙度計(jì)小很多，體現(xiàn)出體積小，便于攜帶的優(yōu)點(diǎn)。
2. 采用串行通信端口 rs-232、 usb接口以及1394接口中的任何一種接口通信電路, 可以將氣壓高度計(jì)嵌入pc機(jī)或者其他系統(tǒng)，方便數(shù)據(jù)的處理以及不同系統(tǒng)之間的組合使用。3.上位機(jī)模塊中加入了固定高度點(diǎn)溫度，氣壓補(bǔ)償模塊可以消除因外界條件變化而引起 的誤差。


圖l是本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2是氣壓傳感器元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3是本實(shí)用新型的電路原理框圖4是本實(shí)用新型的上位機(jī)工作流程圖。
具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題，技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合 附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施方案中接口通信電路采用USB 接口電路。
如圖l所示，本實(shí)用新型的氣壓高度計(jì)由數(shù)據(jù)采集單元1，接口通信電路2，線性穩(wěn)壓 器3以及上位機(jī)4組成，工作原理為，數(shù)據(jù)采集單元1測(cè)量當(dāng)前氣壓、溫度數(shù)據(jù)，接口通信 電路2即USB接口電路完成USB接口功能,將數(shù)據(jù)采集單元1測(cè)得的數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)4， 上位機(jī)4對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到當(dāng)前位置處高度數(shù)據(jù)，各纟莫塊所需電壓由線性穩(wěn)壓器提供。
數(shù)據(jù)采集單元1采用芬蘭VTI公司提供的SCPIOOO-DOI傳感器芯片完成氣壓、溫度 的測(cè)量；接口通信電路2包括USB2.0控制器CY7C68013-56SSOP芯片、USB-A連接線 以及USB-A連接器三部分，三者結(jié)合完成USB接口功能;線性穩(wěn)壓器3采用LM1117T-3.3, 將計(jì)箅機(jī)USB接口即上位機(jī)4提供的5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓向接口通信電路2和數(shù)據(jù)采 集單元l供電；上位機(jī)4加入了固定高度點(diǎn)溫度、氣壓補(bǔ)償模塊，能夠完成高度的計(jì)算與存 儲(chǔ)。以下對(duì)系統(tǒng)各部分分別進(jìn)行說(shuō)明。
圖2為氣壓傳感器元件SCP1000-D01內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，SCP1000-D01壓力傳感器用于 測(cè)量絕對(duì)大氣壓力，壓力測(cè)量范圍在30kPa至120kPa之間，工作溫度變化范圍在-30QC 至85°0之間，工作電壓要求在2.4V至3.3V之間。該芯片由壓力傳感器元件和用于信號(hào)調(diào) 節(jié)的專(zhuān)用集成電路ASIC組成。其中，壓力傳感器元件用于測(cè)量當(dāng)前氣壓；ASIC包含下列模 塊模數(shù)^l換模塊ADC,用于將傳感器元件測(cè)量的溫度、氣壓模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；ASIC 控制模塊；非易失性存儲(chǔ)器EEPROM,存儲(chǔ)著元件初始設(shè)置信息，以進(jìn)行每次啟動(dòng)時(shí)的初 始配置；溫度測(cè)量模塊；壓力計(jì)算及線性化模塊；SPI接口，芯片通過(guò)該SPI接口與接口通 信電路2CY7C68013相連；ASIC中自帶溫度補(bǔ)償模塊，用于補(bǔ)償因器件內(nèi)部散熱引起的片 內(nèi)溫度與環(huán)境溫度的不一致。另外，SCP1000-D01芯片在內(nèi)部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下工作，無(wú)需外部 時(shí)鐘信號(hào)。
圖3為本實(shí)用新型的電路原理圖。SCPIOOO-DOI芯片工作在高速測(cè)量模式下，輸出數(shù)據(jù)更新率為9Hz，釆用SPI通信方式與CY7C68013通信，CY7C68013本身不提供SPI 接口 ，因此需要用芯片的普通1/0 口模擬SPI串行總線接口 。本實(shí)用新型中采用CY7C68013 通用I/O 口的PB端口與SCPIOOO-DOl的SPI接口引腳相連，進(jìn)行通訊。二者之間管腳 連接如下表所示。
表1 SCPIOOO-DOI芯片SPI引腳與CY7C68013芯片的連接
SCP引腳引腳名稱引腳功能備注通用1/0 口CY7C68013弓l腳
12CSBSPI模式選擇輸入，低電平有效PBO25
11MISOSPI輸出數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)輸入PB126
10MOSISPI輸入數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)輸出PB227
9SCKSPI時(shí)鐘輸入接口時(shí)鐘PB328
2TRIG輸入觸發(fā)數(shù)字輸入PB429
3DRDY數(shù)據(jù)就緒信號(hào)數(shù)字輸出PB530
8PD低功耗模式選擇輸入，低電平有效PB732
另外，本實(shí)用新型中芯片SCPIOOO-DOI的引腳5， 13分別通過(guò)470nF電容作為輸入電源 的旁路電容接地。
USB2.0控制器芯片CY7C68013作為SCPIOOO-DOl與USB-A連接器之間的橋梁， 一方面與SCPIOOO-DOI芯片連接，另一方面引腳16， 15分別于USB-A連接器的D-, D+引腳連接。在本實(shí)用新型中，CY7C68013芯片與SCPIOOO-DOl芯片都工作在3.3V 電源下，用戶可以直接應(yīng)用USB連接器上的5V電源去驅(qū)動(dòng)3.3V穩(wěn)壓器，以提供所需要的 電源，簡(jiǎn)化了總線供電的USB設(shè)備的設(shè)計(jì)。如圖3中通過(guò)采用線性穩(wěn)壓器LM1117T-3.3 引腳3與USB-A連接器的引腳1相連將USB接口提供的5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓，該3.3V 電壓為SCPIOOO-DOI與CY7C68013提供電源，即要求LM1117T-3.3弓|腳2同時(shí)與 SCPIOOO-DOl的引腳5, 13以及CY7C68013的弓l腳6， 10, 14, 18， 24, 34, 39， 50相連。此外，LM1117T-3.3引腳2通過(guò)10pF鉭電容器接地，目的是為了提高瞬態(tài)響應(yīng) 與環(huán)路穩(wěn)定性;引腳3通過(guò)10pF鉭電容與0. lviF鉭電容并聯(lián)作為輸入電源的旁路電容接地。
圖3中24MHz晶振作為系統(tǒng)的時(shí)鐘電路，晶振的輸入，輸出引腳分別與CY7C68013 的引腳12， ll相連，并分別通過(guò)22pF電容接地。
圖4為上位機(jī)工作流程圖，程序運(yùn)行起始階段首先完成氣壓高度計(jì)的初始化配置；然后 在上位機(jī)面向用戶界面上完成測(cè)量次數(shù)、參考站溫度、壓力、高度數(shù)據(jù)的輸入，其中，用戶 可以根據(jù)需要設(shè)定測(cè)量次數(shù)，默認(rèn)的測(cè)量次數(shù)為10次，如果測(cè)量次數(shù)達(dá)到10次，則測(cè)量結(jié) 束，開(kāi)始計(jì)算均值、方差，以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；整個(gè)程序以循環(huán)作為主體，每循環(huán)一次都要事先 判斷能否進(jìn)行溫度、壓力數(shù)據(jù)的讀取，在滿足讀取數(shù)據(jù)的條件下以先讀取溫度數(shù)據(jù)后讀取壓力數(shù)據(jù)的順序獲取本次測(cè)量數(shù)據(jù)，然后將溫度、壓力數(shù)據(jù)傳遞到高度計(jì)算模塊輸出高度數(shù)據(jù)， 并進(jìn)行高度數(shù)據(jù)處理，包括求均值，方差以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作等。具體過(guò)程如下
在氣壓高度計(jì)初始化配置模塊中，完成氣壓高度計(jì)的正常啟動(dòng)并將其測(cè)量模式配置為高 速測(cè)量模式。程序中首先進(jìn)行氣壓高度計(jì)初始化狀態(tài)檢驗(yàn)以及EEPROM校驗(yàn)誤差檢驗(yàn)，即 通過(guò)檢驗(yàn)寄存器0x07的值確定SCPIOOO-DOI傳感器啟動(dòng)過(guò)程是否成功結(jié)束，如果寄存器 0x07最低位為0說(shuō)明啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束，否則說(shuō)明啟動(dòng)過(guò)程仍在進(jìn)行，程序在延遲10ms之后 重新檢査寄存器0x07最低位值，重新確定是否結(jié)束啟動(dòng)過(guò)程，如果最低位仍然為l循環(huán)上 述過(guò)程，為避免因傳感器故障造成啟動(dòng)狀態(tài)檢驗(yàn)無(wú)限循環(huán)下去，程序中規(guī)定最大循環(huán)次數(shù)為 6, 6次循環(huán)結(jié)束后仍未結(jié)束啟動(dòng)過(guò)程，提示氣壓傳感器啟動(dòng)失??；類(lèi)似的通過(guò)檢驗(yàn)寄存器 OxlF值確定EEPROM校驗(yàn)誤差，如果為OxOl說(shuō)明校驗(yàn)和正確。上述過(guò)程結(jié)束后，氣壓高 度計(jì)被配置為高速測(cè)量模式。
關(guān)于溫度、壓力數(shù)據(jù)的獲取，通過(guò)DRDY引腳判斷能否讀取本次測(cè)量數(shù)據(jù)，可以讀取時(shí) 以先讀取溫度后讀取壓力的順序獲取二進(jìn)制數(shù)據(jù)。獲取的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)特定的處理對(duì)于以 二進(jìn)制補(bǔ)碼形式表示的溫度數(shù)據(jù)，首先轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制原碼，然后轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制格式，最后將 得到的十進(jìn)制數(shù)據(jù)除以20得到以攝氏度為單位的溫度數(shù)據(jù)；對(duì)于以二進(jìn)制原碼形式表示壓 力數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)據(jù)后直接除以4即得到以帕為單位的壓力數(shù)據(jù)。
在高度計(jì)算模塊中，假設(shè)固定高度點(diǎn)用A表示，該點(diǎn)溫度、壓力、重力勢(shì)髙度數(shù)據(jù)分別 為7;，凡，//。；待求點(diǎn)用B表示，測(cè)得的溫度、壓力數(shù)據(jù)分別為7;， /7A; B點(diǎn)重力勢(shì)高度 A求解過(guò)程如下
步驟一根據(jù)A點(diǎn)溫度r。，重力勢(shì)高度//。計(jì)算當(dāng)前平均海平面處溫度2;':
H風(fēng) [1
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)壓高公式// = ^[(^)-，g -l]，得到另一種表示形式
A"。^ + l)i2]
々
將U滯入[2照到
A = A>'(^ [31
乂0
同理，對(duì)于B點(diǎn)
A"。'(1^ [4j 乂o
步驟二 [3][4倆式相比得到
[5j步驟三A， B兩點(diǎn)溫度關(guān)系
r0 =7;-風(fēng)=7;-風(fēng) 問(wèn)
步驟四將[6j式帶入[5j式得到A， B兩點(diǎn)重力勢(shì)高度之間關(guān)系為 上述公式中參數(shù)含義如下
及空氣專(zhuān)用氣體常數(shù)，i = 287.05287(附2/(52*尤))； g :為自由落體加速度；
P:溫度的垂直變化率(/ = Jr/^/)
通過(guò)上述過(guò)程可以計(jì)箅得到修正后B點(diǎn)的重力勢(shì)高度數(shù)據(jù)。在此需要申明一點(diǎn)，如果A點(diǎn)的 重力勢(shì)高度沒(méi)有事先給定，而給定A點(diǎn)的精確GPS高度/^^，在71式中用Fe^代替/f。， 所得結(jié)果趨近于B點(diǎn)GPS高度。上述分析是建立在A, B兩點(diǎn)相隔較近，外界條件較為一 致的假設(shè)下。
測(cè)量結(jié)束后，對(duì)測(cè)量得到的高度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求解幾次測(cè)量高度數(shù)據(jù)的均值、方差， 最后可以對(duì)測(cè)量及計(jì)算結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)。
本實(shí)施方案采用基于USB接口的氣壓高度計(jì)設(shè)計(jì)，優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需釆用單獨(dú)的電源模 塊，采用的各芯片體積小，便于攜帶；即插即用，便于嵌入其它系統(tǒng)與其他系統(tǒng)組合使用； 利用上位機(jī)軟件，可以消除因外界天氣條件變化而引起的高度測(cè)量誤差，同時(shí)便于數(shù)據(jù)的儲(chǔ) 存以及統(tǒng)計(jì)處理等后續(xù)工作。
需要強(qiáng)調(diào)的是，采用串行通信端口 RS-232， USB接口以及1394接口中的任何一種接
口通信電路與計(jì)箅機(jī)相連都具有上述優(yōu)點(diǎn)，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新 型，并不用于限定本實(shí)用新型。
權(quán)利要求1、一種嵌入式便攜氣壓高度計(jì)，包括數(shù)據(jù)采集單元，其特征在于還包括接口通信電路、線性穩(wěn)壓器以及上位機(jī)；接口通信電路能夠?qū)?shù)據(jù)采集單元采集到的溫度、壓力數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)，由上位機(jī)處理得到高度數(shù)據(jù)；線性穩(wěn)壓器將上位機(jī)提供的5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓向接口通信電路和數(shù)據(jù)采集單元供電。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式便攜氣壓高度計(jì)，其特征在于接口通信電路采用串行通 信端口 RS-232、 USB接口以及1394接口中的任何一種與PC機(jī)或者其它設(shè)備相連。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的嵌入式便攜氣壓高度計(jì)，其特征在于數(shù)據(jù)采集單元釆用氣 壓傳感器元件SCPIOOO-DOl芯片，該芯片由壓力傳感器元件和用于信號(hào)調(diào)節(jié)的專(zhuān)用集 成電路ASIC組成；其中，壓力傳感器元件用于測(cè)量當(dāng)前氣壓；ASIC包含下列模塊模 數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC，用于將傳感器元件測(cè)量的溫度、氣壓模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；ASIC控制 模塊；非易失性存儲(chǔ)器EEPROM，存儲(chǔ)著元件初始設(shè)置信息，以進(jìn)行每次啟動(dòng)時(shí)的初始 配置；溫度測(cè)量模塊；壓力計(jì)算及線性化模塊；SPI接口，芯片通過(guò)該SPI接口與接口通 信電路2CY7C68013相連；ASIC中自帶溫度補(bǔ)償模塊，用于補(bǔ)償因器件內(nèi)部散熱引起 的片內(nèi)溫度與環(huán)境溫度的不一致，另夕卜，SCPIOOO-DOl芯片在內(nèi)部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下工作， 無(wú)需外部時(shí)鐘信號(hào)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式便攜氣壓高度計(jì)，其特征是上位機(jī)中加入了固定高度參 考點(diǎn)的溫度、氣壓修正模塊。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型提供一種嵌入式便攜氣壓高度計(jì)，由數(shù)據(jù)采集單元、接口通信電路、線性穩(wěn)壓器以及上位機(jī)四個(gè)模塊組成。其中，數(shù)據(jù)采集單元通過(guò)傳感器芯片完成氣壓，溫度數(shù)據(jù)的采集；接口通信電路可以采用串行通信端口RS-232，USB接口以及1394接口中的任何一種與PC機(jī)相連，完成將數(shù)據(jù)采集單元所測(cè)數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)的功能；上位機(jī)包括誤差補(bǔ)償模塊，能夠輸出更為精確的高度數(shù)據(jù)，同時(shí)完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)處理等后續(xù)工作；采用線性穩(wěn)壓器為各模塊提供電壓，無(wú)需外接電源。本實(shí)用新型用于高度的測(cè)量，采用計(jì)算機(jī)接口供電，無(wú)需外加電源，體積小便于攜帶而且可以很方便嵌入其它系統(tǒng)組合使用，適用范圍較廣。
文檔編號(hào)G01C5/06GK201364154SQ200920106119
公開(kāi)日2009年12月16日 申請(qǐng)日期2009年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月11日
發(fā)明者怡 姚, 張新源, 朱衍波, 銳 李, 王鵬飛, 黃智剛 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)