數(shù)字式MEMS加速度傳感器在車載導(dǎo)航中的應(yīng)用

　　隨著定位導(dǎo)航技術(shù)的飛速發(fā)展，車載導(dǎo)航系統(tǒng)在相關(guān)領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。車載導(dǎo)航系統(tǒng)的功能是幫助用戶確定車輛位置并提供正確的操作指示，因此定位的精確程度成為衡量一套系統(tǒng)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。目前，隨著城市道路的發(fā)展，高架路日益成為城市交通的樞紐，因此如何對車輛是否位于高架上的定位成為了車載導(dǎo)航系統(tǒng)急需解決的問題。常用的GPS 衛(wèi)星定位雖然可以測量高度，但是誤差卻在100m左右，無法達(dá)到高架一般幾米的要求，所以直接測量的方法是很難滿足的。

　　這里使用國外成熟的加速度計(jì)器件ADXL 202JE，通過測量車輛上下高架時的傾斜角變化，結(jié)合GPS定位來判斷車輛是否位于高架上。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　測量原理

　　ADXL 202JE采用先進(jìn)的MEMS技術(shù)，在同一硅片中刻蝕了一個多晶硅表面微機(jī)械傳感器，并集成了一套精密的信號處理電路，如圖1 所示。

　　圖1　ADXL 202 功能結(jié)構(gòu)框圖

　　傳感器主要是由一個利用表面微機(jī)械加工的多晶硅機(jī)構(gòu)和一個差動電容器組成。在加速度的作用下，多晶硅結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生偏移使電容值發(fā)生變化。在信號處理電路中(如圖1) ，差動電容器的變化信號由解調(diào)器解調(diào)后通過一個RC 濾波器(由內(nèi)部RFy，RFy和外部CFy，CFy構(gòu)成) 送到占空比調(diào)制器中，由調(diào)制器轉(zhuǎn)換為占空比與加速度成正比的方波，方波的周期(T2) 可以通過RS 確定。這個方波可以直接送到單片機(jī)進(jìn)行處理，通過使用計(jì)數(shù)器測量方波周期T2 以及脈沖的寬度T1 (如圖2) ，從而得到加速度的值。

　　圖2　ADXL 202JE 輸出波形示意圖

　　加速度: a= (T1/T2- u0g)/u1g式中：T2 由占外接電阻器RS 確定，其關(guān)系為T2= RS/125兆歐; u0g為0g 對應(yīng)的占空比，其典型值是50%; u1g表示1g 加速度變化引起的占空比變化值，對于ADXL 202JE，1g的典型值是12.5%。

　　硬件設(shè)計(jì)

　　如圖3，系統(tǒng)主要包括三個部分。

　　圖3　測量電路原理框圖

　　(1) 測量部分電路主要由ADXL 202JE構(gòu)成，并輔助以一些濾波及調(diào)節(jié)電路;

　　(2) 系統(tǒng)控制電路部分主要由AT89C52單片機(jī)以及MAX232構(gòu)成，由單片機(jī)處理占空比調(diào)制信號，MAX232芯片實(shí)現(xiàn)串口通信;

　　(3)GPS模塊選用摩托羅拉的GT型Oncore接收器。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)采用中斷觸發(fā)的方式來測量傳感器輸出脈沖周期，從而計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)的傾斜角，并結(jié)合GPS模塊判斷車輛是否上高架，主要流程框圖如圖4 所示。

　　圖4　程序流程圖

　　結(jié)論與討論

　　測量動態(tài)加速度的帶寬選擇

　　ADXL 202JE帶寬式中：

　　占空比調(diào)制器周期的確定

　　對于ADXL 202JE，當(dāng)DCM輸出方波頻率大于模擬帶寬10倍以上，測量準(zhǔn)確度就很理想，因此周期越小越好。但是周期的減小對微控制器的處理速度要求會提高，而實(shí)際中硬件的處理速度是受到器件性能限制的。綜合以上因素，方波的周期是根據(jù)模擬帶寬、處理器速度以及測量分辨力的要求共同確定的。

　　實(shí)驗(yàn)分析

　　根據(jù)實(shí)際的精度要求，實(shí)驗(yàn)選用1uF 的濾波電容，這樣帶寬為5Hz，噪聲約為0.43mg。Rs阻值為1M，這樣輸出方波周期約為141Hz。采用12M晶振的單片機(jī)，這樣占空比的精度可到達(dá)0.14%。在實(shí)際車載實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)過濾波和平滑處理，并通過反復(fù)調(diào)試基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目的(圖5 是實(shí)際測得的數(shù)據(jù))。

　　圖5　車輛上下高架時傾斜角測量曲線

　　結(jié)論

　　應(yīng)用上述的設(shè)計(jì)方法及其要點(diǎn)，基本實(shí)現(xiàn)了對車輛定位的要求，達(dá)到了預(yù)期效果。實(shí)踐證明ADXL 202JE非常適合于頻率變化較為緩慢、加速度不太大的測量。在充分考慮各種因素基礎(chǔ)上，合理設(shè)計(jì)有關(guān)參數(shù)，就可以得到很好的準(zhǔn)確度。