基于ARM-Linux的微慣性單元數(shù)據(jù)采集與處理

微機械慣性器件是集微型精密機械、微電子學(xué)、半導(dǎo)體集成電路等新技術(shù)于一身的世界前沿新技術(shù)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，目前微機械慣性器件憑借其價格低、可靠性高、尺寸小、重量輕等特點引起了國內(nèi)慣性技術(shù)及微電子技術(shù)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。以陀螺儀和加速度計為核心部件的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)已成為現(xiàn)代飛機、大型艦只和潛艇的一種重要導(dǎo)航設(shè)備，在其他一些民用領(lǐng)域中也有著十分廣泛和重要的應(yīng)用。以慣性系統(tǒng)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的慣性測量和慣性定位系統(tǒng)，可以用于大地測量、地圖繪制、海洋調(diào)查、地球物理勘探、管道鋪設(shè)選線、石油鉆井定位和機器人等需要大范圍測量及精確定位的場合[1]。

本文在嵌入式Linux環(huán)境下使用ARM9開發(fā)板實現(xiàn)了對IMU輸出數(shù)據(jù)的采集和動態(tài)顯示，為進(jìn)一步的工程應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 微慣性測量單元IMU

微慣性測量單元由6個傳感器組成，包括3個微機械陀螺儀和3個微機械加速度計，配置在立方體的3個正交平面上。其基本原理為古典的牛頓力學(xué)原理，由三根軸的陀螺確定載體的姿態(tài)，安裝在三根軸上的加速度計測出載體的加速度值，積分得到速度，再積分得到位移[1，2]。

本文所采用的慣性測量單元為XW-IMU5200。它以DSP為核心處理器，采用16 bit高精度多通道并行A/D轉(zhuǎn)換。其A/D轉(zhuǎn)換器的采樣率至少是慣性傳感器帶寬的4倍，能夠保持慣性傳感器的固有頻率。6路并行采集通道可實時接收加速度計和陀螺儀以及溫度傳感器的信號，保證了數(shù)據(jù)采集的一致性。圖1所示為本文所采用的XW-IMU5200的外觀。

XW-IMU5200內(nèi)部有一個0.8 μs的計時器。計時器計數(shù)從0～216，然后開始新的周期（高位溢出后繼續(xù)）。每個數(shù)據(jù)周期中，在讀取內(nèi)部計時器之前和之后，分別對兩組慣性測量數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，然后將得到的數(shù)據(jù)做數(shù)字濾波并封裝；慣性測量數(shù)據(jù)、計時器數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)通過XW-IMU5200的RS232口送出。

如圖2所示，Ti是周期的起點。從Ti到Ti1為0.1 ms，實現(xiàn)第一組數(shù)據(jù)的采樣；從Ti1到Ti2為1 ms，讀取內(nèi)部計時器；從Ti2到Ti3為0.1 ms ，實現(xiàn)第二組數(shù)據(jù)的采樣；從Ti3到Ti4進(jìn)行濾波并封裝數(shù)據(jù)，對IMU為1.8 ms， 對IMU而言，最大數(shù)據(jù)輸出速率約為100 Hz，波特率為115 200 b/s。

XW-IMU5200的測量數(shù)據(jù)包為19 bit，其定義如表1所示，數(shù)據(jù)為Little Endian格式，即低位(LSB)字節(jié)在先。


2 Arm-linux環(huán)境下的MEMS IMU數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)

2.1 交叉編譯環(huán)境的建立

本設(shè)計所采用的ARM9開發(fā)板為S3C2440處理器，內(nèi)嵌Linux系統(tǒng)。
因嵌入式開發(fā)一般需要在PC機上進(jìn)行，需要在宿主機建立交叉編譯環(huán)境，以下給出建立交叉編譯環(huán)境的步驟：
(1)安裝linux環(huán)境；
(2)下載交叉編譯文件包 cross-2.95.3.tar.bz2；
(3)建立交叉編譯環(huán)境目錄 /usr/local/arm/；
(4)復(fù)制安裝包到目錄下，在此目錄下解包文件，命令為：tar jxvf cross-2.95.3.tar.bz2；
(5)配置環(huán)境變量，修改bashrc文件，在文件最后一行添加環(huán)境變量，代碼為export。
PATH=/usr/local/arm/2.95.3/bin: $PATH，保存退出后重啟Linux。
至此，交叉編譯環(huán)境建立完成。

2.2 串口通信的實現(xiàn)

本設(shè)計所采用的微慣性單元數(shù)據(jù)通過RS232串口輸出，同時所使用的ARM開發(fā)板上也附有串口，因此完成數(shù)據(jù)采集必須通過串口通信。

串口通信是儀器儀表設(shè)備通用的通信方式，它用于ASCII碼的字符傳輸，主要由地線、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)線3根數(shù)據(jù)線完成，其他線用于握手。

串口通信的最重要的參數(shù)配置是：波特率、數(shù)據(jù)位和奇偶校驗位，在進(jìn)行串口通信時，必須正確設(shè)置參數(shù)。Linux中所有的設(shè)備一般位于/dev下，串口1和2的名稱分別為/dev/ttyS0和/dev/ttyS1.通過對struct termios結(jié)構(gòu)體的各成員值的設(shè)置來進(jìn)行串口設(shè)置，如下：
#includetermios.h>
Struct termio
{
unsigned short c_iflag; /*輸出控制模式標(biāo)志*/
unsigned short c_oflag; /*輸出模式標(biāo)志*/
unsigned short c_cflag; /*控制模式標(biāo)志*/
unsigned short c_lflag; /*本地模式標(biāo)志*/
unsigned char c_line; /*行標(biāo)志*/
unsigned char c_cc[NCC; /*控制字符*/
}；
其中，c_cflag包含對數(shù)據(jù)傳輸率、字符大小、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗位和硬件流控的設(shè)置。
串口配置主函數(shù)如下：
int main(void)
{
int fd;
int nread,i;
char buff[512]=0;
if((fd=open_port(fd,1))0)
{
perror(open_port error);
return;
}
if((i=set_opt(fd,38400,8,'N',1))0)
{
perror(set_opt error);
return;
}
printf(fd=%dn,fd);
while(1)
{
while((nread = read(fd,buff,sizeof(buff)))>0)
{
if(buff[i]==0xaabuff[i+1]==0x18)；
printf(header foundn );
}
}
close(fd);
return;
}

串口波特率為9 600 b/s，數(shù)據(jù)位為8 bit，無奇偶校驗位，1 bit停止位。對于串口的操作同讀寫文件，使用read、write函數(shù)。如上串口調(diào)通后，根據(jù)產(chǎn)品的解碼進(jìn)行數(shù)據(jù)的解算，其算法可表示為：

IMU_meas.gyro[i]=IMU_data.gyro[i]*G_S/SCALAR;
//陀螺儀輸出數(shù)據(jù)解算,i取值1、2、3分別代表正交方向三路陀螺儀

IMU_meas.acc[i]=IMU_data.acc[i]*A_S/SCALAR; //加速度計輸出數(shù)據(jù)解算，i取值1、2、3，分別代表三路加速度計

本文忽略溫度信息只考慮6路傳感器信息，其中G_S為陀螺儀的角度范圍，A_S為加速度計測量范圍，scalar為常值215。

2.3 數(shù)字低通濾波

低通濾波屬于經(jīng)典濾波的范疇，它通過一定的運算關(guān)系改變輸入信號頻率成分的相對比例或濾除某些頻率成分，對MEMS IMU進(jìn)行濾波的目的就是盡量濾除信號中的各種噪聲成分，因為MEMS IMU輸出信號的有用成分基本位于低頻段，加之實時性能的要求，這里只選擇相比FIR濾波器階次低得多的IIR濾波器[3]。

隨機采集一組數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波說明，如圖3為轉(zhuǎn)臺靜止?fàn)顟B(tài)下y軸MEMS陀螺儀輸出的5 000點數(shù)據(jù)，采樣頻率為100 Hz。

為了確定濾波器的通帶截止頻率，對這組數(shù)據(jù)進(jìn)行Yule Walker功率譜密度分析[5]，為了獲得較高的精度，此處取AR模型的階數(shù)為30，功率譜密度分析結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出陀螺儀輸出信號中存在兩個明顯的尖峰，分別位于14.6 Hz和28.5 Hz處，所以通帶的截止頻率必須小于14.6 Hz。這兩個尖峰是指陀螺儀輸出數(shù)據(jù)隨機誤差的正弦成分，由圖中可知它們對陀螺儀輸出數(shù)據(jù)的零點漂移起主導(dǎo)作用?？紤]到過渡帶寬的因素，截止頻率的設(shè)置最大也應(yīng)為7 Hz左右。但這一濾波器的任務(wù)除了要濾除正弦成分外，也應(yīng)該濾除大部分的近似白噪聲統(tǒng)計特性的噪聲成分，并且在沒有噪聲情況下陀螺儀的輸出數(shù)據(jù)應(yīng)為常數(shù)，所以截止頻率設(shè)得越低越好。

設(shè)計IIR數(shù)字低通濾波器必須確定的另一個重要參數(shù)是濾波器的階數(shù)。階數(shù)低時，濾波時延較小，但過渡帶寬過大，濾波效果不明顯，階數(shù)高時，過渡帶寬較小，但濾波時延較大。為了既能獲得較好的濾波效果，又能夠最大限度地滿足實時應(yīng)用，在選擇濾波器的階數(shù)時需要做折中考慮?；谝陨戏治觯x擇具有單調(diào)下降幅頻特性的巴特沃斯濾波器。

采用巴特沃斯直接型結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)函數(shù)為：

通過分析比較，當(dāng)通帶截止頻率設(shè)為4 Hz左右、濾波器階數(shù)設(shè)為4時，能得到理想的綜合濾波效果。圖5所示為濾波后的數(shù)據(jù)。

對濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行Yule Walker功率譜密度分析，結(jié)果如圖6所示。

比較圖4和圖6可以看出，濾波后的功率譜密度原來的兩個尖峰完全消失了，除0 Hz附近整體變得十分平坦。這正是期望的濾波效果，說明設(shè)計的濾波器達(dá)到了預(yù)期的濾波目的。計算濾波前后的均值與方差，結(jié)果如表2所示。

可以看出，濾波后的均值與濾波前的均值相比在誤差允許的范圍內(nèi)可以認(rèn)為是相等的，濾波后的方差比濾波前的方差小兩個數(shù)量級。這說明合理地選擇巴特沃斯數(shù)字低通濾波器的截止頻率和階數(shù)， MEMS陀螺儀輸出

的數(shù)據(jù)可產(chǎn)生較好的濾波效果。通過計算得出低通濾波器的權(quán)系數(shù)ak和br，便可根據(jù)差分方程編制C語言程序。

2.4 輸出數(shù)據(jù)基于Qt的界面顯示

Qt是一個跨平臺的C++圖形界面庫，主要通過匯集C++類的形式來實現(xiàn)應(yīng)用程序界面開發(fā)所需要的一切，包括Qt/X11、Qt Embedded、Qtdesigner和Qt linguist等[4]。Qt是基于面向?qū)ο蟮腃++語言，它提供了signal(信號)和slot(槽)的對象通信機制，具有可查詢和設(shè)計的屬性以及強大的事件和事件過濾器。本文主要用到其面向嵌入式開發(fā)的Qt Embedded及其設(shè)計器Qtdesigner。

Qt界面開發(fā)通常有以下步驟：
(1)用Qt生成file.ui和main.cpp；
(2)用uic生成file.h和file.cpp；
(3)用qmake生成file.pro；
(4)通過./setenv命令設(shè)置環(huán)境變量；
(5)用tmake生成二進(jìn)制代碼。

主函數(shù)部分如下：
int main( int argc, char ** argv)
{
QApplication a(argc, argv);
IMU_display w;
QTimer *t = new QTimer(w );
a.connect(t,SIGNAL(timeout()),w,SLOT(imu()));
t->start( 10, FALSE);
w.show();
a.connect(a,SIGNAL(lastWindowClosed()),a, SLOT(quit()) );
return a.exec();
}

IMU數(shù)據(jù)輸出速率為100 Hz，將Qtimer定時器設(shè)置為10 ms刷新一次，保證數(shù)據(jù)輸出的完整性。IMU數(shù)據(jù)的具體輸出可以進(jìn)行定制。在上位機開發(fā)完系統(tǒng)之后，可以利用虛擬幀緩存技術(shù)(qvfb)技術(shù)在PC機上測試Qt/Embedded 程序。經(jīng)過反復(fù)的測試修改，測試成功之后制作圖標(biāo)和桌面啟動器，通過minicom拷貝到ARM-Linux系統(tǒng)下的指定目錄，便完成了程序的開發(fā)工作，需要注意的是交叉編譯前需要將程序中上位機的串口名改為ARM開發(fā)板的指定串口名，否則程序?qū)⒉粫＿\行。

本文實現(xiàn)了ARM-Linux環(huán)境下對于MEMS IMU的數(shù)據(jù)采集處理，功耗低、成本低、體積小，可廣泛應(yīng)用到各種慣性測量領(lǐng)域。文中所述IIR數(shù)字低通濾波器，設(shè)計簡單，適合運用于有用信號和噪聲的頻帶不重疊的非高速變化運動的場合。其不足之處在于雖然可以取得較為理想的濾波效果，但同時產(chǎn)生了一定的延遲，所以不適合對于實時性要求很高的慣性測量場合，但可以通過改進(jìn)濾波算法來實現(xiàn)。