基于多MEMS傳感器的姿態(tài)測量系統(tǒng)

引言

傳統(tǒng)的姿態(tài)測量因?yàn)椴捎酶呔韧勇輧x和加速度計(jì)等姿態(tài)傳感器，體積龐大并且價(jià)格昂貴。當(dāng)前MEMS產(chǎn)品因其體積小、價(jià)格低、功耗低，被稱為是傳統(tǒng)的慣性測量組合的一次重大改革，越來越多地應(yīng)用于姿態(tài)測量應(yīng)用中。并且，隨著MEMS技術(shù)的迅速發(fā)展以及向各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的滲透，它的各方面性能如精度、魯棒性、動態(tài)響應(yīng)等都得到了巨大的提高。

隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，以應(yīng)用為中心的嵌入式系統(tǒng)由于體積小、功耗低、可靠性高、可裁減性好、軟硬件集成度高，已經(jīng)滲入到我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)方面，在各行各業(yè)中都得到了應(yīng)用。而嵌入式與MEMS的結(jié)合使姿態(tài)測量系統(tǒng)滿足了低成本、低功耗、微型化的應(yīng)用需求，給消費(fèi)電子領(lǐng)域帶來了巨大進(jìn)步，如智能手機(jī)中的重力感應(yīng)與指南針，同時(shí)給航空、工業(yè)、汽車、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)控、通信等領(lǐng)域帶來了十分廣闊的應(yīng)用前景。

本文采用三軸MEMS陀螺儀、三軸MEMS加速度計(jì)及三軸MEMS電子羅盤與Freescale單片機(jī)MC9S08QE8組成一個(gè)嵌入式姿態(tài)測量系統(tǒng)。陀螺儀由于動態(tài)性能好，用于獲取實(shí)時(shí)姿態(tài)信息。但陀螺儀因?yàn)闀a(chǎn)生偏移，而加速度計(jì)與電子羅盤因其靜態(tài)性能比較優(yōu)越，所以用來對陀螺儀姿態(tài)計(jì)算過程中的誤差進(jìn)行修正。

1 系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由單軸陀螺儀LY530AL、雙軸陀螺儀LPR530AL、三軸MEMS加速度計(jì)ADXL345、三軸MEMS電子羅盤HMC5843及單片機(jī)MC9S08QE8組成。其中X、Y方向的雙軸陀螺儀與Z軸方向的單軸陀螺儀組合成三軸陀螺儀，它們的信號由單片機(jī)MC9S08QE8的ADC模塊進(jìn)行采集，而加速度信號和電子羅盤信號則通過I2C總線傳送到單片機(jī)。這9路信號在單片機(jī)中首先經(jīng)過前期的處理，而后由單片機(jī)中的姿態(tài)計(jì)算算法程序獲取3個(gè)姿態(tài)角信息，這3個(gè)信息通過單片機(jī)MC9S08QE8的串口模塊傳送到上位機(jī)進(jìn)行演示，嵌入式姿態(tài)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.1 三軸MEMS陀螺儀

系統(tǒng)中三軸MEMS陀螺儀由ST公司的單軸Z方向的陀螺儀LY530AL和雙軸X、Y方向的陀螺儀LPR530AL組合而成。它們采用電容式微機(jī)械陀螺儀原理，由于ST公司選用了音叉方法，并且振動驅(qū)動電路采用了雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，顯著地提高了陀螺儀的穩(wěn)定性和分辨率。測量范圍達(dá)±300°/s，擁有自測功能，輸出端集成了低通濾波電路，工作電壓為1.8～3.6 V，待機(jī)模式電流小于1μA。

1.2 三軸MEMS加速度計(jì)

系統(tǒng)中三軸MEMS加速度計(jì)選用ADI公司的ADXL345。ADXL345是基于iMEMS技術(shù)的三軸、數(shù)字輸出加速度傳感器，具有±2g、±4g、±8g、±16g可變的測量范圍。芯片內(nèi)帶的32級FIFO存儲可以緩存數(shù)據(jù)，從而減輕處理器的負(fù)擔(dān)并降低了系統(tǒng)功耗。ADXL345具有較高的分辨率與靈敏度、3 mm×5 mm×1 mm超小封裝、40～145μA超低功耗及標(biāo)準(zhǔn)的I2C或SPI數(shù)字接口，非常適合于移動設(shè)備的應(yīng)用。

1.3 三軸MEMS電子羅盤

系統(tǒng)中的三軸MEMS電子羅盤采用霍尼韋爾公司的HMC5843，它采用霍尼韋爾公司的各向異性磁阻(AMR)技術(shù)，由霍尼韋爾高精度的HMC11 8X系列磁阻傳感器組成，在低強(qiáng)度磁場傳感器中具有較高的靈敏度和可靠性。2.16～3.3 V的低電壓供電、0.66 mA電流功耗，以及3mm×3 mm×0.9 mm的小體積，在消費(fèi)電子設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)中擁有明顯的優(yōu)越性。

1.4 單片機(jī)MC9S08QE8

系統(tǒng)中單片機(jī)采用Freescale公司的MC9S08QE8。MC9S08QE8采用了眾多新技術(shù)，如電池壽命、延長技術(shù)、增強(qiáng)型的低功耗性能以及超低電壓下的高級運(yùn)行能力等。同時(shí)具有極高的集成度，集成了很多系統(tǒng)級功能，如12位高精度A/D轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器、SPI、I2C、SCI等常用模塊，非常適合低功耗、低成本的應(yīng)用。

2 應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊

本系統(tǒng)的電源穩(wěn)壓電路為整個(gè)系統(tǒng)所有設(shè)備供電，考慮到系統(tǒng)中涉及數(shù)字型和模擬型傳感器，采用了低噪音、低漂移、供電電壓為3.3 V的線性穩(wěn)壓芯片MIC5205。電源穩(wěn)壓電路原理圖如圖2所示。其中，C1是連接芯片內(nèi)部電壓參考源與GND的電容，用來減少輸出電壓的噪音，而C2作為輸出與GND的電容，用來防止電路產(chǎn)生振蕩。C2的電容大小與C1有關(guān)，但當(dāng)C1為470 nF時(shí)，C2一般為2.2μF。D1為電源的指示燈。

2.2 陀螺儀與ADC模塊

MC9S08QE8單片機(jī)內(nèi)帶的ADC模塊是基于逐次逼近型12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它提供10個(gè)輸入通道，可以配置采用時(shí)間轉(zhuǎn)換速度及功耗，可以設(shè)置預(yù)置比較，從而保證某些不符合要求的數(shù)據(jù)不用保存。其中最能體現(xiàn)高性能特點(diǎn)的是可以設(shè)置連續(xù)序列轉(zhuǎn)換方式，這種模式下，ADC硬件可自動實(shí)現(xiàn)所設(shè)定的幾個(gè)通道連續(xù)轉(zhuǎn)換，并把轉(zhuǎn)換結(jié)果存入響應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器中，而不用程序循環(huán)實(shí)現(xiàn)。這樣既簡化了程序設(shè)計(jì)，又降低了轉(zhuǎn)換功耗，減輕了MC9S08QE8的負(fù)擔(dān)。

陀螺儀與單片機(jī)ADC模塊的接口如圖3所示。圖中ST、HP、PD作為自我測試、能量控制、高通濾波設(shè)置3個(gè)引腳，它們分別連接到MC9S08 QE8的通用I/O接口上。一般它們都接下拉電阻，默認(rèn)為正常工作模式，如果需要對相應(yīng)的工作模式進(jìn)行改變則須改變對應(yīng)MC9S08QE8I/O口的電平為高電平。而LY530AL與LPR530AL的輸出信號(4xOTUX、4xOTUY、4xOTUZ引腳)與輸出參考電壓(Vref引腳)分別接MC9S08QE8的ADC模塊的相應(yīng)通道。設(shè)計(jì)中特別注意的是，LPR530AL有2種輸出模式：一種是采用經(jīng)過內(nèi)部放大4倍后的輸出，另一種是正常的輸出。當(dāng)采用非線性放大輸出方式時(shí)，應(yīng)當(dāng)把LPR530AL的5引腳和9引腳連接GND;如果采用放大輸出方式并且外部沒有擴(kuò)展旁路濾波，則應(yīng)當(dāng)分別把4和5引腳、9和10引腳短接。圖3中，LY530AL工作原理與LPR530AL相似。