車(chē)載電子羅盤(pán)中的一種新型抗干擾設(shè)計(jì)

摘要：介紹了雙軸加速度傳感器ADXL202在車(chē)載電子羅盤(pán)應(yīng)用中的干擾抑制和軟件濾波方法?；赩RS51L3074單片機(jī)的軟件濾波方案，只需1個(gè)字節(jié)型變量就能動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)1個(gè)通道的周期采樣值，并根據(jù)此變量二進(jìn)制位的數(shù)值變化，判斷出有效信號(hào)上升沿、下降沿和干擾尖峰脈沖，達(dá)到有效計(jì)數(shù)和濾除干擾的目的。這一設(shè)計(jì)思想在電子羅盤(pán)測(cè)試中取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
關(guān)鍵詞：加速度傳感器；電子羅盤(pán)；尖峰脈沖；ADXL202

引言
隨著定位導(dǎo)航技術(shù)的飛速發(fā)展和日臻成熟，電子羅盤(pán)在相關(guān)領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。車(chē)載電子羅盤(pán)的功能是幫助用戶確定車(chē)輛行駛方向，精確顯示方位角度并提供正確的操作指示，因此導(dǎo)航的精確程度成為衡量系統(tǒng)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。本文介紹的基于AMR磁阻傳感器和加速度傳感器ADXL202的電子羅盤(pán)，是捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的一種。在電子羅盤(pán)系統(tǒng)中，單片機(jī)VRS51L3074完成對(duì)加速度傳感器輸出信號(hào)脈寬和周期的計(jì)數(shù)，獲得車(chē)輛瞬時(shí)加速度值，然后利用三角函數(shù)關(guān)系計(jì)算出當(dāng)前位置相對(duì)于已知參考位置之間的橫滾和俯仰角度，進(jìn)行姿態(tài)解算，得到車(chē)輛的前進(jìn)方向和方位角。但是汽車(chē)電磁環(huán)境復(fù)雜，特別是汽車(chē)的震動(dòng)和瞬時(shí)功率變化會(huì)對(duì)ADXL202輸出的占空比信號(hào)產(chǎn)生尖峰脈沖干擾，嚴(yán)重影響計(jì)數(shù)的精度。因此，抑制脈沖干擾在提高計(jì)數(shù)精度、增強(qiáng)系統(tǒng)性能方面顯得尤為重要。

1 ADXL202工作原理
ADXL202傳感器是由震蕩器，X、Y方向傳感器，相位檢波電路以及占空比調(diào)制器組成，具有數(shù)字輸出接口和模擬電壓信號(hào)輸出接口。X、Y方向傳感器是2個(gè)相互正交的加速度傳感器。ADXL202相對(duì)于地平面方向變化時(shí)，X、Y方向?qū)?yīng)不同的輸出，從而可以測(cè)量動(dòng)態(tài)變化的加速度和恒定的加速度。傳感器的后級(jí)連相位檢波器，主要是用來(lái)修正信號(hào)，并對(duì)信號(hào)的方向作出判斷。檢波器輸出的信號(hào)通過(guò)1個(gè)32 kΩ的電阻來(lái)驅(qū)動(dòng)占空比調(diào)制器，設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)在XFILT和YFILT引腳外接電容CX和CY來(lái)改變帶寬。同時(shí)，外接電容對(duì)于濾除噪聲和抑制零點(diǎn)漂移都有一定的效果。
信號(hào)通過(guò)低通濾波器之后，占空比調(diào)制器把信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出。通過(guò)T2腳的外接電阻可以改變T2的周期T2(1～10 ms)，這就方便在精度要求不同的場(chǎng)合下使用。輸出的占空比信號(hào)通過(guò)計(jì)數(shù)器可以計(jì)算出占空比。加速度的計(jì)算可以通過(guò)公式(1)得到。

當(dāng)加速度為Og時(shí)，輸出信號(hào)的占空比為50％；靈敏度每1g所引起的脈寬占空比變化12．5％。在應(yīng)用中Og時(shí)的失調(diào)和系統(tǒng)誤差影響實(shí)際輸出值。則根據(jù)測(cè)得的加速度值即可求得X和Y軸的傾角：

當(dāng)加速度計(jì)被定向，那么它的X和Y軸就和地球表面平行可用來(lái)作為具有翻滾和傾斜兩個(gè)軸的雙軸斜度傳感器，被測(cè)物體的俯仰角記為γ和橫滾角β。將磁阻傳感器的3個(gè)敏感軸沿載體的3個(gè)坐標(biāo)軸安裝，分別測(cè)量地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度H在載體坐標(biāo)系3個(gè)坐標(biāo)上的投影分量(HX，HY，HZ)，然后利用俯仰角和橫滾角進(jìn)行姿態(tài)解算就可以得到電子羅盤(pán)的方位角。

2 ADXL202的抗干擾設(shè)計(jì)思想
根據(jù)ADXL202使用手冊(cè)知，傳感器與微處理器共用電源時(shí)會(huì)引起干擾，因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)采用了抑制干擾的解決方案。設(shè)計(jì)時(shí)采用1個(gè)0．1μF的電容和1個(gè)小于或等于100 Ω的電阻來(lái)抑制干擾。實(shí)驗(yàn)測(cè)試顯示，仍然存在電路其他部分電源和傳感器電源互相影響的情況，干擾抑制效果并不理想。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，傳感器采用獨(dú)立的電源供電，并且在布線時(shí)把器件和調(diào)理信號(hào)的電阻、電容放在1塊單獨(dú)的板上或用粗地線將其圍在線路板的某一區(qū)域，在實(shí)驗(yàn)室條件下得到較好的干擾抑制效果。但實(shí)際應(yīng)用中，汽車(chē)的震動(dòng)和瞬時(shí)功率變化對(duì)ADXL 202E輸出的占空比信號(hào)產(chǎn)生尖峰脈沖干擾(脈寬約1～2 ms)并不能消除，這就需要對(duì)其更多的處理。抑制和消除尖峰脈沖干擾影響的措施較多，常見(jiàn)的有硬件方法和軟件方法，或兩者相結(jié)合。考慮到電子羅盤(pán)整體體積和磁阻傳感器信號(hào)對(duì)干擾較為敏感，如果采用高效的硬件濾波，系統(tǒng)電路將變得非常龐大；使用簡(jiǎn)易的硬件電路，濾波效果又不徹底。實(shí)際上，還可以借助于微處理器進(jìn)行軟件濾波消除尖峰脈沖干擾。軟件濾波算法的采用，無(wú)疑會(huì)在簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)的同時(shí)使系統(tǒng)的硬件資源得到更加充分的利用，并達(dá)到降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本的要求。