专利名称：一种嵌入式便携气压高度计的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种气压测高仪器的设计，更具体地说，提供一种嵌入式便携气压高度计。
背景技术：
气压高度计是基于气压随高度升髙而降低这一原理设计的。目前应用较为广泛的是数字 式气压高度计，如2008年7月30日公开的实用新型专利气压高度计 (zl200720041374,3)包括测量单元，接口通信电路和系统电源，其中测量单元包括数字 式气压传感器以及与其相连的微处理器；接口通信电路包括逻辑电平转换电路和接口通信电 路；系统电源包括降压电路，传感器及微处理器供电电路，接口通信电源电路。可以看出， 目前存在的气压髙度计一方面结构复杂，体积较大，不便携带；另一方面只能作为测量高度
的独立模块，无法嵌入其他系统，与其他系统组合使用，也就是无法将气压高度计与pc机
或者其他系统相连完成高度数据的储存管理以及统计处理等后续工作。例如在卫星导航领域
中，如果可以将高度数据输出到pc机中，或利用接口直接与其他导航设备进行连接，就可
以利用高度数据与其它数据的结合完成导航定位、完好性监测等功能。
实用新型内容
本实用新型的目的在于针对现有技术中存在的不足而提供一种嵌入式便携气压高度计。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是本实用新型由数据采集单元、接口 通信电路、线性稳压器以及上位机四个模块组成；数据采集单元完成气压、温度的测量；接 口通信电路功能是将数据采集单元采集到的温度、压力数据传递给上位机，由上位机软件处 理得到高度数据，接口通信电路可以采用串行通信端口 rs-232, usb接口以及1394接口 中的任何一种与pc机相连；线性稳压器为各模块提供所需电压；上位机加入了固定高度参 考点的温度气压修正模块，通过修正可以消除外部环境变化引起的误差。
本实用新型有益效果在于 '
1. 采用任何一种接口通信电路与pc机相连，都可以利用pc机提供的电源供电，无需 单独的电源模块，又因为本实用新型所釆用的各芯片体积小，导致本实用新型最终体积较以 往气压髙度计小很多，体现出体积小，便于携带的优点。
2. 采用串行通信端口 rs-232、 usb接口以及1394接口中的任何一种接口通信电路, 可以将气压高度计嵌入pc机或者其他系统，方便数据的处理以及不同系统之间的组合使用。3.上位机模块中加入了固定高度点温度，气压补偿模块可以消除因外界条件变化而引起 的误差。
图l是本实用新型的系统结构框图2是气压传感器元件内部结构图3是本实用新型的电路原理框图4是本实用新型的上位机工作流程图。
具体实施方式
为了使本实用新型所要解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合 附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明，本实施方案中接口通信电路采用USB 接口电路。
如图l所示，本实用新型的气压高度计由数据采集单元1，接口通信电路2，线性稳压 器3以及上位机4组成，工作原理为，数据采集单元1测量当前气压、温度数据，接口通信 电路2即USB接口电路完成USB接口功能,将数据采集单元1测得的数据传递给上位机4， 上位机4对数据进行处理得到当前位置处高度数据，各纟莫块所需电压由线性稳压器提供。
数据采集单元1采用芬兰VTI公司提供的SCPIOOO-DOI传感器芯片完成气压、温度 的测量；接口通信电路2包括USB2.0控制器CY7C68013-56SSOP芯片、USB-A连接线 以及USB-A连接器三部分，三者结合完成USB接口功能;线性稳压器3采用LM1117T-3.3, 将计箅机USB接口即上位机4提供的5V电压转换为3.3V电压向接口通信电路2和数据采 集单元l供电；上位机4加入了固定高度点温度、气压补偿模块，能够完成高度的计算与存 储。以下对系统各部分分别进行说明。
图2为气压传感器元件SCP1000-D01内部结构图，SCP1000-D01压力传感器用于 测量绝对大气压力，压力测量范围在30kPa至120kPa之间，工作温度变化范围在-30QC 至85°0之间，工作电压要求在2.4V至3.3V之间。该芯片由压力传感器元件和用于信号调 节的专用集成电路ASIC组成。其中，压力传感器元件用于测量当前气压；ASIC包含下列模 块模数^l换模块ADC,用于将传感器元件测量的温度、气压模拟量转换为数字量；ASIC 控制模块；非易失性存储器EEPROM,存储着元件初始设置信息，以进行每次启动时的初 始配置；温度测量模块；压力计算及线性化模块；SPI接口，芯片通过该SPI接口与接口通 信电路2CY7C68013相连；ASIC中自带温度补偿模块，用于补偿因器件内部散热引起的片 内温度与环境温度的不一致。另外，SCP1000-D01芯片在内部时钟驱动下工作，无需外部 时钟信号。
图3为本实用新型的电路原理图。SCPIOOO-DOI芯片工作在高速测量模式下，输出数据更新率为9Hz，釆用SPI通信方式与CY7C68013通信，CY7C68013本身不提供SPI 接口 ，因此需要用芯片的普通1/0 口模拟SPI串行总线接口 。本实用新型中采用CY7C68013 通用I/O 口的PB端口与SCPIOOO-DOl的SPI接口引脚相连，进行通讯。二者之间管脚 连接如下表所示。
表1 SCPIOOO-DOI芯片SPI引脚与CY7C68013芯片的连接
SCP引脚引脚名称引脚功能备注通用1/0 口CY7C68013弓l脚
12CSBSPI模式选择输入，低电平有效PBO25
11MISOSPI输出数据数据输入PB126
10MOSISPI输入数据数据输出PB227
9SCKSPI时钟输入接口时钟PB328
2TRIG输入触发数字输入PB429
3DRDY数据就绪信号数字输出PB530
8PD低功耗模式选择输入，低电平有效PB732
另外，本实用新型中芯片SCPIOOO-DOI的引脚5， 13分别通过470nF电容作为输入电源 的旁路电容接地。
USB2.0控制器芯片CY7C68013作为SCPIOOO-DOl与USB-A连接器之间的桥梁， 一方面与SCPIOOO-DOI芯片连接，另一方面引脚16， 15分别于USB-A连接器的D-, D+引脚连接。在本实用新型中，CY7C68013芯片与SCPIOOO-DOl芯片都工作在3.3V 电源下，用户可以直接应用USB连接器上的5V电源去驱动3.3V稳压器，以提供所需要的 电源，简化了总线供电的USB设备的设计。如图3中通过采用线性稳压器LM1117T-3.3 引脚3与USB-A连接器的引脚1相连将USB接口提供的5V电压转换为3.3V电压，该3.3V 电压为SCPIOOO-DOI与CY7C68013提供电源，即要求LM1117T-3.3弓|脚2同时与 SCPIOOO-DOl的引脚5, 13以及CY7C68013的弓l脚6， 10, 14, 18， 24, 34, 39， 50相连。此外，LM1117T-3.3引脚2通过10pF钽电容器接地，目的是为了提高瞬态响应 与环路稳定性;引脚3通过10pF钽电容与0. lviF钽电容并联作为输入电源的旁路电容接地。
图3中24MHz晶振作为系统的时钟电路，晶振的输入，输出引脚分别与CY7C68013 的引脚12， ll相连，并分别通过22pF电容接地。
图4为上位机工作流程图，程序运行起始阶段首先完成气压高度计的初始化配置；然后 在上位机面向用户界面上完成测量次数、参考站温度、压力、高度数据的输入，其中，用户 可以根据需要设定测量次数，默认的测量次数为10次，如果测量次数达到10次，则测量结 束，开始计算均值、方差，以及数据存储；整个程序以循环作为主体，每循环一次都要事先 判断能否进行温度、压力数据的读取，在满足读取数据的条件下以先读取温度数据后读取压力数据的顺序获取本次测量数据，然后将温度、压力数据传递到高度计算模块输出高度数据， 并进行高度数据处理，包括求均值，方差以及数据存储工作等。具体过程如下
在气压高度计初始化配置模块中，完成气压高度计的正常启动并将其测量模式配置为高 速测量模式。程序中首先进行气压高度计初始化状态检验以及EEPROM校验误差检验，即 通过检验寄存器0x07的值确定SCPIOOO-DOI传感器启动过程是否成功结束，如果寄存器 0x07最低位为0说明启动过程结束，否则说明启动过程仍在进行，程序在延迟10ms之后 重新检査寄存器0x07最低位值，重新确定是否结束启动过程，如果最低位仍然为l循环上 述过程，为避免因传感器故障造成启动状态检验无限循环下去，程序中规定最大循环次数为 6, 6次循环结束后仍未结束启动过程，提示气压传感器启动失败；类似的通过检验寄存器 OxlF值确定EEPROM校验误差，如果为OxOl说明校验和正确。上述过程结束后，气压高 度计被配置为高速测量模式。
关于温度、压力数据的获取，通过DRDY引脚判断能否读取本次测量数据，可以读取时 以先读取温度后读取压力的顺序获取二进制数据。获取的数据需要经过特定的处理对于以 二进制补码形式表示的温度数据，首先转化为二进制原码，然后转换为十进制格式，最后将 得到的十进制数据除以20得到以摄氏度为单位的温度数据；对于以二进制原码形式表示压 力数据，转化为十进制数据后直接除以4即得到以帕为单位的压力数据。
在高度计算模块中，假设固定高度点用A表示，该点温度、压力、重力势髙度数据分别 为7;，凡，//。；待求点用B表示，测得的温度、压力数据分别为7;， /7A; B点重力势高度 A求解过程如下
步骤一根据A点温度r。，重力势高度//。计算当前平均海平面处温度2;':
H风 [1
根据标准压高公式// = ^[(^)-，g -l]，得到另一种表示形式
A"。^ + l)i2]
々
将U滞入[2照到
A = A>'(^ [31
乂0
同理，对于B点
A"。'(1^ [4j 乂o
步骤二 [3][4俩式相比得到
[5j步骤三A， B两点温度关系
r0 =7;-风=7;-风 问
步骤四将[6j式带入[5j式得到A， B两点重力势高度之间关系为 上述公式中参数含义如下
及空气专用气体常数，i = 287.05287(附2/(52*尤))； g :为自由落体加速度；
P:温度的垂直变化率(/ = Jr/^/)
通过上述过程可以计箅得到修正后B点的重力势高度数据。在此需要申明一点，如果A点的 重力势高度没有事先给定，而给定A点的精确GPS高度/^^，在71式中用Fe^代替/f。， 所得结果趋近于B点GPS高度。上述分析是建立在A, B两点相隔较近，外界条件较为一 致的假设下。
测量结束后，对测量得到的高度数据进行处理，求解几次测量高度数据的均值、方差， 最后可以对测量及计算结果进行存储。
本实施方案采用基于USB接口的气压高度计设计，优点在于无需釆用单独的电源模 块，采用的各芯片体积小，便于携带；即插即用，便于嵌入其它系统与其他系统组合使用； 利用上位机软件，可以消除因外界天气条件变化而引起的高度测量误差，同时便于数据的储 存以及统计处理等后续工作。
需要强调的是，采用串行通信端口 RS-232， USB接口以及1394接口中的任何一种接
口通信电路与计箅机相连都具有上述优点，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新 型，并不用于限定本实用新型。
权利要求1、一种嵌入式便携气压高度计，包括数据采集单元，其特征在于还包括接口通信电路、线性稳压器以及上位机；接口通信电路能够将数据采集单元采集到的温度、压力数据传递给上位机，由上位机处理得到高度数据；线性稳压器将上位机提供的5V电压转换为3.3V电压向接口通信电路和数据采集单元供电。
2、 根据权利要求1所述的嵌入式便携气压高度计，其特征在于接口通信电路采用串行通 信端口 RS-232、 USB接口以及1394接口中的任何一种与PC机或者其它设备相连。
3、 根据权利要求1或2所述的嵌入式便携气压高度计，其特征在于数据采集单元釆用气 压传感器元件SCPIOOO-DOl芯片，该芯片由压力传感器元件和用于信号调节的专用集 成电路ASIC组成；其中，压力传感器元件用于测量当前气压；ASIC包含下列模块模 数转换模块ADC，用于将传感器元件测量的温度、气压模拟量转换为数字量；ASIC控制 模块；非易失性存储器EEPROM，存储着元件初始设置信息，以进行每次启动时的初始 配置；温度测量模块；压力计算及线性化模块；SPI接口，芯片通过该SPI接口与接口通 信电路2CY7C68013相连；ASIC中自带温度补偿模块，用于补偿因器件内部散热引起 的片内温度与环境温度的不一致，另夕卜，SCPIOOO-DOl芯片在内部时钟驱动下工作， 无需外部时钟信号。
4、 根据权利要求1所述的嵌入式便携气压高度计，其特征是上位机中加入了固定高度参 考点的温度、气压修正模块。
专利摘要本实用新型提供一种嵌入式便携气压高度计，由数据采集单元、接口通信电路、线性稳压器以及上位机四个模块组成。其中，数据采集单元通过传感器芯片完成气压，温度数据的采集；接口通信电路可以采用串行通信端口RS-232，USB接口以及1394接口中的任何一种与PC机相连，完成将数据采集单元所测数据传递给上位机的功能；上位机包括误差补偿模块，能够输出更为精确的高度数据，同时完成数据的存储处理等后续工作；采用线性稳压器为各模块提供电压，无需外接电源。本实用新型用于高度的测量，采用计算机接口供电，无需外加电源，体积小便于携带而且可以很方便嵌入其它系统组合使用，适用范围较广。
文档编号G01C5/06GK201364154SQ200920106119
公开日2009年12月16日 申请日期2009年3月11日 优先权日2009年3月11日
发明者怡 姚, 张新源, 朱衍波, 锐 李, 王鹏飞, 黄智刚 申请人:北京航空航天大学