基于雙軸加速度傳感器的新型角度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.2 ADXL202測角度工作原理

　　ADXL202水平放置時的傾角如圖5所示。

　　ADXL202水平放置時，沿X軸和Y軸方向的加速度分量大小與重力的關(guān)系為：

　　AX=g.sin(α)，AY=g.sin(β) (3)

　　式中，AX、AY分別代表加速度計(jì)的兩個軸上的分量輸出，g是以重力作為參考的加速度值，而α、β是傾斜角度。由反正弦函數(shù)即可以得到傾斜角度為：

　　α=sin-1(AX/g)，β=sin-1(AY/g) (4)

　　圖5 ADXL202水平放置時的傾角

　　ADXL202垂直放置時的傾角如圖6所示。

　　圖6 ADXL202垂直放置時的傾角

　　加速度傳感器在豎直初始位置時，沿X軸和Y軸方向的加速度分量大小與重力的關(guān)系為：

　　γ=sin-1(AX/g)，δ=sin-1(AY/g) (5)

　　此角度測量儀的工作原理是：ADXL202將加速度信號轉(zhuǎn)換為脈寬占空比輸出，STM32F107接收這個數(shù)字脈沖信號，利用STM32F107的輸入捕獲功能來測量脈沖信號的高電平脈寬。然后，計(jì)算出高電平脈寬的準(zhǔn)確時間T1，由式(2)得到X、Y方向上的加速度分量A(g)。最后，由式(4)(5)分別求出芯片在水平狀態(tài)或垂直狀態(tài)下的傾角。

　　3數(shù)據(jù)處理模塊

　　STM32F107采用的是ARM Cortex—M3內(nèi)核，工作電壓為3.3 V，時鐘頻率達(dá)到72 MHz.該芯片系統(tǒng)資源和外圍接口豐富，內(nèi)部集成專用時鐘、復(fù)位以及電源管理模塊，支持多種工作模式。由于STM32F107芯片的性能、成本和功耗方面的特點(diǎn)，選擇它作為數(shù)據(jù)處理模塊。更重要的是STM32F107的定時器除了TIM6和TIM7，都有輸入捕獲功能。

　　3.1輸入捕獲功能應(yīng)用于角度測量的工作原理

　　以TIM2定時器實(shí)現(xiàn)輸入捕獲功能為例。TIM2有4個獨(dú)立通道，通過檢測TIM2_CH1通道上的邊沿信號，在邊沿信號發(fā)生跳變(比如上升沿/下降沿)的時候，將當(dāng)前定時器的值存放到TIM2_CH1的捕獲/比較寄存器里面，完成一次捕獲。這就是STM32F107所具有的輸入捕獲功能。

　　將ADXL202的Xout、Yout引腳輸出接到STM32F107的34、35引腳(PA0、PA1)上，由STM32F107的原理圖可知，34、35引腳控制TIM2_CH1和TIM2_CH2兩個通道。用TIM2_CH1來捕獲Xout的數(shù)字方波信號的高電平脈沖，首先配置此通道的輸入捕獲為上升沿檢測。當(dāng)檢測到上升沿時，進(jìn)入中斷將計(jì)數(shù)器清零重新開始計(jì)數(shù)，并配置通道的輸入捕獲為下降沿捕獲;當(dāng)檢測到下降沿時，進(jìn)入中斷讀取計(jì)數(shù)器的值，由計(jì)數(shù)值和計(jì)數(shù)頻率可得到高電平的脈寬，即T1.然后通過以下兩個公式：

　　A(g)=(T1/T2-0.5)/12.5% (6)

　　α=sin-1(Ax/g)，β=sin-1(AY/g) (7)

　　計(jì)算得出當(dāng)前的傾角，之后將結(jié)果傳輸給液晶顯示屏顯示結(jié)果。式中T2=1 ms.此處僅討論芯片水平放置時的情況，當(dāng)芯片垂直放置時，用式(5)即可。

　　3.2采集和處理數(shù)據(jù)的方法

　　ADXL202有兩路輸出信號Xout、Yout，而且它們是同時工作的，而STM32F107是順序處理器，一個時間點(diǎn)上只能處理一路信號。我們采用分時復(fù)用的方法解決，以1 s為時間點(diǎn)，在這1 s內(nèi)，STM32F107只采集處理一條通道內(nèi)的信號和數(shù)據(jù)，到下一秒時就采集處理另一條通道上的信號和數(shù)據(jù)。還應(yīng)該注意一個問題，計(jì)數(shù)器在檢測到上升沿時開始計(jì)數(shù)，等下降沿到來停止計(jì)數(shù)的時間內(nèi)，脈寬過長時計(jì)數(shù)器會發(fā)生溢出，所以必須記錄下溢出次數(shù)。在最后計(jì)算計(jì)數(shù)器的值時，將溢出次數(shù)乘以計(jì)數(shù)器的寬度加上當(dāng)前計(jì)數(shù)器的值，即為總的計(jì)數(shù)值。