基于AT89S52的MEMS陀螺信號采集與處理系統(tǒng)設計
MEMS(Micro Electron Mechanical System)陀螺儀是一種可以精確測量物體方位的儀器,不僅成本低,體積小,重量輕,而且可以與微電子加工的電路實現(xiàn)集成,做到機電一體化。MEMS陀螺適用于汽車工業(yè)、慣性導航、計算機、機器人、軍事等急需大量小型、廉價陀螺的應用領域,是國防、工業(yè)發(fā)展中必不可少的儀器。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/273687.htm但是,MEMS陀螺儀在實際應用中達不到需要的精度,為了提高陀螺儀系統(tǒng)工作性能和測量精度,對陀螺儀進行數(shù)據(jù)采集并減小誤差是至關重要的。
ADIS16355慣性測量裝置將三軸角速度感知與三軸加速度感知相結(jié)合,提供六自由度運動感知、嵌入式校準與傳感器處理以及傳感器-傳感器交叉補償,并大大提高信號穩(wěn)定性(使用偏移穩(wěn)定性為0.015 deg/sec),體積小于1立方英寸。ADIS16355是在整個溫度范圍內(nèi)校準,具有卓越的偏壓溫度穩(wěn)定性(0.005 deg/sec/°)。
ADISl6355提供一個串行外部接口SPI(Serial Peripheral Interface),通過SPI可以對芯片進行配置,獲得運行狀態(tài)與測量結(jié)果等,其對外部供電要求不高,內(nèi)部自帶高精度的穩(wěn)壓電路,外圍電路較少[1]。
AT89S52單片機[2]是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器,具有8 KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲器,使用美國ATMEL公司高密度非易失性存儲器技術制造,與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。在單芯片上,擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash,同時,AT89S52帶有ISP下載功能,它利用在線編程器替代昂貴的單片機仿真器編程器,既方便使用,又節(jié)省開發(fā)費用。
本文結(jié)合單片機對ADIS16355慣性傳感器進行控制,將采集的數(shù)據(jù)實時存儲并通過LCD1602進行顯示,最后對系統(tǒng)進行測試,并分析了系統(tǒng)存在的誤差。
1 ADIS16355芯片數(shù)據(jù)采集硬件設計
根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需要,系統(tǒng)以AT89S52作為主控單元,外擴一片6264靜態(tài)存儲器作為數(shù)據(jù)存儲器,并設計AT89S52與ADIS16355通信的SPI接口模塊、LCD顯示模塊、鍵控模塊和在線編程模塊,系統(tǒng)硬件連接框圖如圖1所示。
1.1 主控模塊
控制單片機AT89S52具有8 KB Flash,256 B RAM,32 bit的I/O口線,看門狗定時器,兩個數(shù)據(jù)指針,3個16 bit定時器/計數(shù)器,一個六向量兩級中斷結(jié)構(gòu),全雙工串行口,片內(nèi)晶振及時鐘電路等功能[3]。它與ADIS16355陀螺儀之間通過SPI接口相連。因為AT89S52單片機沒有專門的SPI接口,只能通過軟件模擬P2.0口為時鐘信號線與陀螺儀的SPI接口SCLK引腳相連,P2.1口為主輸出從輸入MOSI與陀螺儀SPI接口的數(shù)據(jù)輸人SDI引腳相連,P2.2口為主輸入從輸出MISO與陀螺儀SPI接口的數(shù)據(jù)輸出SDO引腳相連,P2.3口為片選信號。P3.2、P3.3為中斷引腳,分別與ADIS16355的DIO1和DIO2相連,為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中斷。
1.2 LCD顯示模塊
系統(tǒng)顯示部分采用液晶LCD1602芯片,其特點是:功耗低、體積小、質(zhì)量輕、顯示質(zhì)量高、數(shù)字式,采用標準的16腳接口和單片機連接簡單,操作方便,能夠同時顯示16×2即32個字符,1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器(CGROM)存儲了160個不同的點陣字符圖形,方便顯示控制器采集出的數(shù)據(jù)。
1.3 在線編程模塊
系統(tǒng)設計了在線編程模塊,利用STC-ISP編程燒錄軟件實時在線下載程序,大大方便了開發(fā)者,提高了系統(tǒng)研發(fā)效率。
1.4 SPI接口模塊通信與配置
SPI是MOTOROLA公司提出的同步串行總線方式,是一種全雙工、同步、串行數(shù)據(jù)接口標準總線,與其他串行總線相比,它具有電路結(jié)構(gòu)簡單、速度快、通信可靠等優(yōu)點[4]。標準的SPI總線由4根信號線組成:時鐘信號(SCLK)、主輸入從輸出線(SDI)、主輸出從輸入線(SDO)和片選信號(CS)。
系統(tǒng)中ADIS16355通過SPI接口與外部進行通信,需要外部設備MCU通過該接口對其內(nèi)部各寄存器進行設置,圖2所示是一個典型的寫入控制寄存器命令的數(shù)據(jù)幀。由芯片資料[5]可知,DIN系列的首位是1,第二位是0,后面是目標寄存器的6 bit地址和8 bit數(shù)據(jù)命令,因為每一個寫命令包含一個數(shù)據(jù)位,所以給整個16 bit寄存器空間寫值時要求有兩個數(shù)據(jù)幀。圖3為ADIS16355讀操作SPI時序圖,由芯片資料[5]可知ADIS16355完成一次SPI通信包括16 bit數(shù)據(jù),其中第1位是SPI傳輸?shù)淖x寫狀態(tài)標識,第2位為0,緊跟著的6 bit是目標寄存器地址,最后8 bit是在寫操作時將要寫進寄存器的數(shù)據(jù),如果是讀操作則忽略,完成ADIS16355的一個讀操作需要進行兩次16 bit的SPI通信,其中第一次是寫入將要讀取的寄存器地址,該寄存器的內(nèi)容將在第二次SPI通信出現(xiàn)在ADIS16355的DOUT信號線上,輸入SPI的主設備。
本設計中控制器與ADIS16355進行SPI通信的每個數(shù)據(jù)幀為16 bit,而AT89S52的數(shù)據(jù)寬度為8 bit,所有內(nèi)部寄存器和數(shù)據(jù)空間存儲器都是8 bit寬度組成,作為主設備在其發(fā)出有效的SPI片選信號使能ADISl6355后,要對其自身的SPI數(shù)據(jù)寄存器進行兩次寫操作,才能在總線上完成一次16 bit數(shù)據(jù)傳輸。
2 軟件設計
ADISl6255陀螺儀所有的數(shù)據(jù)和命令的讀取和寫入都是通過讀寫寄存器來完成的。通過AT89S52單片機編寫程序讀取ADISl6355內(nèi)部相應的寄存器地址,相應讀取回來的12 bit或者14 bit長度的數(shù)據(jù)經(jīng)過換算再乘以對應的比例因子就得到了相應的x、y、z軸陀螺儀和加速度計以及內(nèi)部溫度信息。
在啟動陀螺儀前,首先要對陀螺儀的各個寄存器進行正確的設置。由參考文獻[5]、[6]知,設置GYRO_OFF和GYRO_SCALE寄存器對陀螺儀三軸輸出的靈敏度和偏差進行用戶自校準;設置SMPL_PRD寄存器,選取合適的采樣頻率;設置SENS/AVG寄存器,定義陀螺動態(tài)量程以及對應的數(shù)字濾波器;設置MSC_CTRL寄存器,定義自檢位以及數(shù)據(jù)更新中斷位;設置COMMAND寄存器,定義數(shù)據(jù)校正模式;設置ALM_CTRL寄存器,為數(shù)據(jù)報警。
陀螺儀自身帶有一個校準控制指令,在讀取數(shù)據(jù)之前需要用戶的自定義校準,具體操作方法[6]是將MSC_
CTRL寄存器的第10位置1,20 ms后,讀取狀態(tài)寄存器的值,如果為0x0000,表明自檢通過,否則表明陀螺儀存在如供電超限、SPI通信錯誤等問題,響應的錯誤位將在狀態(tài)寄存器中標出。
MEMS陀螺儀數(shù)據(jù)采集軟件設計主要是對AT89S52的程序設計。系統(tǒng)上電復位后,首先完成單片機初始化,對陀螺儀各個自由度寄存器參數(shù)設置,初始化LCD1602,初始化SPI接口,陀螺儀自校準過程,定時器和相應中斷打開,數(shù)據(jù)存儲及更新,最后通過按鍵分別顯示X、Y、Z軸陀螺儀和加速度計以及內(nèi)部溫度信息。系統(tǒng)軟件程序采用Keil μVision4軟件編寫,Keil μVision4是基于80C51內(nèi)核開發(fā)的,可以用C語言和匯編語言進行編程,C編譯工具在產(chǎn)生代碼的準確性和效率方面達到了較高的水平,并且可以附加靈活的控制選項,在開發(fā)大型項目時非常實用[7]。其軟件程序流程圖如圖4所示。
3 測試結(jié)果
完成硬件平臺搭建和軟件程序設計后,室溫下對系統(tǒng)進行靜態(tài)測量,通過改變溫度,分析角度的漂移;在小型旋轉(zhuǎn)平面上進行動態(tài)測試,分析線性加速度的變化,針對過大的漂移率現(xiàn)象,進行自校準,再測量。
靜態(tài)測試,在室溫下,由液晶屏顯示輸出溫度為+21.36 ℃,輸出角度有不超過0.02°/s的漂移率。當把陀螺儀溫度提高到50 ℃時,顯示溫度為+50.07 ℃,陀螺角度出現(xiàn)單向漂移現(xiàn)象,輸出角度大約為0.72°/min漂移率。經(jīng)過軟件自校準后,角度漂移較穩(wěn)定變化,單漂移現(xiàn)象消除。
動態(tài)測試,對三軸加速度計的測試采用重力場1 gn試驗方法[8],安裝方法如圖5所示,將加速度計通過卡具安裝在位置轉(zhuǎn)臺上,使加速度計的輸入軸在鉛垂平面內(nèi)相對重力加速度轉(zhuǎn)動。
使位置轉(zhuǎn)臺在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn),由圖5可知,敏感軸上的加速度分量為[9]:
a=gn·sinθ (1)
式中a為敏感軸上的加速度;θ為加速度計敏感軸與水平方向間的夾角。由式(1)可知,當位置轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動時,加速度計敏感軸上的重力加速度分量呈正弦關系變化,加速度計的輸出也呈正弦關系變化。在知道敏感軸與水平方向的夾角后,就可以計算出加速度計所感應到的加速度大小[8]。
測試采取十二位置測試方法,即每間隔30°測量一次,首先需要確定機械零點,即試驗前要確保初始狀態(tài)的敏感軸與水平方向間夾角為0°,確定機械零位一般采用四點法[9],測量當?shù)刂亓铀俣萭n(如長春重力加速度為9.801 m/s2),由公式(1)可以計算出十二位置點的重力加速度分量值,選取部分測試點與本系統(tǒng)顯示的加速度值對比,分析絕對誤差如表1所示。
由表1知,在常溫下測量的ADIS16355加速度計 系統(tǒng)顯示的值與理論值絕對誤差在轉(zhuǎn)臺限定的誤差范圍之內(nèi),并且滿足ADIS16355線性加速度精度誤差為2.522 mg/LSB(約為0.024 7 m/s2)的要求,加上溫度補償可以進一步提高測量精度。
本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要存在以下誤差:一方面是由陀螺儀自身出廠工藝缺陷、結(jié)構(gòu)、工作模式等形成的各種漂移;另一方面是由重力場、磁場、檢測電路干擾、系統(tǒng)安裝不平衡引起的陀螺輸出偏差。對于以上誤差中確定性誤差可以采用標定測試、自檢校準和溫度補償來減小,對于不確定性誤差采用統(tǒng)計方法統(tǒng)計變化規(guī)律和有效系統(tǒng)辨識方法來處理。
ADIS16355 iSensor是一款完整的三軸陀螺儀與三軸加速計慣性檢測系統(tǒng)。本文以AT89S52單片機為核心控制器件,只需要很少的外圍電路,采用KeilC51軟件編寫程序,實時存儲采集的數(shù)據(jù)并經(jīng)LCD顯示,通過靜態(tài)溫度和角度測試及重力加速度試驗測試表明,該系統(tǒng)具有較高的精度和實時性。最后對系統(tǒng)存在的誤差進行分析。本文設計的MEMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有精度高、成本低、操作簡單、使用方便,在陀螺儀的實際應用中存在較大的市場價值。
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