ADXL202在組合車(chē)載導航系統中的應用

引言

隨著(zhù)定位導航技術(shù)的飛速發(fā)展和日臻成熟，車(chē)載導航系統在相關(guān)領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應用。車(chē)載導航系統的功能是幫助用戶(hù)確定車(chē)輛位置并提供正確的操縱指示，因此定位的精確程度成為衡量一套系統性能優(yōu)劣的重要指標。目前，常用的定位手段有GPS衛星定位、慣性導航定位和組合導航定位等。本文介紹的基于加速度傳感器ADXL202的定位方法是慣性導航定位中的一種。在車(chē)載導航系統中，加速度傳感器完成數據采集任務(wù)，獲得車(chē)輛瞬時(shí)加速度值，然后由推算定位法（dead reckoning）計算出當前位置相對于已知參考位置之間的偏移，從而得到車(chē)輛的絕對位置。在短時(shí)間內，利用這種方法得到的定位精度很高，例如：在平均加速度28.4mg的情況下，10s鐘范圍內，得到的定位誤差大約是0.5m，與GPS單點(diǎn)平均定位誤差15m―20m相比，是微不足道的；但是可以想象，由于時(shí)間的增加，誤差積累效應會(huì )越來(lái)越大，嚴重影響導航的精度。因此，加速度傳感器通常和GPS一起組合成為組合導航系統，以提高定位精度，增強系統性能。


ADXL202工作原理

ADXL202是Analogy Devices公司出品的一款雙軸加速度測量系統，模擬輸入，可測量動(dòng)態(tài)加速度和靜態(tài)加速度，輸出為周期可調的脈寬調制信號，可以直接與單片機或計數器連接。并且具有性能高、準確度高、功耗低的特點(diǎn)（輸入電流小于0.6mA）。

ADXL202有很廣泛的應用。主要用于慣性導航、傾斜感應、地震監控及汽車(chē)保險等領(lǐng)域。ADXL202集成度高、結構簡(jiǎn)單，為一單片集成電路，其內部包含多晶硅表面微處理傳感器和信號控制電路以實(shí)現開(kāi)環(huán)加速度測量結構。與其它加速度計相比較，ADXL202可在很大程度上提高工作帶寬，降低噪聲影響，零重力偏差和溫度漂移也相對較低。它的結構框圖如圖1所示： 

ADXL202傳感器是由震蕩器，X、Y方向傳感器，相位檢波電路以及占空比調制器組成（如圖1所示），而且使用簡(jiǎn)單，具有數字輸出接口和模擬電壓信號輸出接口。

X、Y方向傳感器是兩個(gè)相互正交的加速度傳感器。這兩個(gè)傳感器同時(shí)工作，可以測量動(dòng)態(tài)變化的加速度和恒定的加速度。ADXL可以測量正、負兩個(gè)方向的加速度，而且具有很廣的測量范圍，可以測量 2g/ 10g的加速度。圖2表明，ADXL202相對于地平面方向變化時(shí)，X、Y方向對應不同的輸出，從而可以計算出恒定的加速度。

傳感器之后，級連相位檢波器，主要是用來(lái)修正信號，并對信號的方向做出判斷。

從檢波器輸出的信號，通過(guò)一個(gè)32K 的電阻來(lái)驅動(dòng)占空比調制器。我們可以通過(guò)在XFILT和YFILT 引腳外接電容CX和CY來(lái)改變帶寬。外接電容對于濾除噪聲和抑制零點(diǎn)漂移都有好處。

信號通過(guò)低通濾波器之后，占空比調制器把信號轉換為數字信號輸出。通過(guò)T2腳的外接電阻可以改變T2的周期（0.5ms 到10ms），這很適合于在精度要求不同的場(chǎng)合下使用。

輸出的占空比信號通過(guò)計數器可以計算出占空比。加速度的計算可以通過(guò)公式（1）得到。

A(g)=(T1/T2-0.5)/12.5%..........................(1)

例如，當加速度為0g時(shí)，信號寬度T1與空閑寬度（T2－T1）相同，輸出信號的占空比為50％；當加速度為1g時(shí)，信號寬度T1與空閑寬度（T2－T1）的比值為5：3，輸出信號的占空比為62.5％。

ADXL202還可以直接輸出模擬信號，模擬信號經(jīng)過(guò)A/D轉換處理也可得到加速度值。

基于A(yíng)DXL202的組合車(chē)載導航系統設計

本文介紹的車(chē)載導航系統主要是采用加速度傳感器和GPS接收機作為信號源進(jìn)行組合導航。由嵌入式微處理器EP7312作為車(chē)載導航的核心處理器，為整個(gè)系統的正常運轉提供一個(gè)工作平臺，集中處理來(lái)自加速度傳感器ADXL202和GPS接收機ITRAX02的定位信號，處理后的結果通過(guò)地圖匹配算法定位到電子地圖上，并經(jīng)LCD屏輸出顯示、定時(shí)更新。整個(gè)導航系統結構框架如圖2所示： 

加速度傳感器ADXL202測量車(chē)輛在二維平面X和Y方向的加速度值，以脈寬調制信號的形式輸出，經(jīng)過(guò)CPLD得到占空比值（即T1/T2），并觸發(fā)中斷，把比值送入處理器。經(jīng)過(guò)2次積分運算得到相對位移，緩存在內存中；同時(shí)，GPS接收機ITRAX02接收基于無(wú)線(xiàn)的衛星導航載波信號，解調后通過(guò)串行接口將信號幀送入嵌入式微處理器，由微處理器按照規定的傳送協(xié)議進(jìn)行信息提取，從而獲得二維平面位置、海拔高度、星歷時(shí)間、誤差分析等數據，并進(jìn)行緩存。得到相對位移和GPS定位數據后，微處理器EP7312將相對位移數據和GPS數據通過(guò)分布式數字卡爾曼濾波方式融合在一起，得到精度比較高的定位信息，并采用地圖匹配算法在電子地圖上標繪出當前位置，通過(guò)對LCD屏的刷新，將定位、導航信息及時(shí)提供給用戶(hù)。該系統使用加速度傳感器和GPS作為數據源進(jìn)行組合導航，既可以發(fā)揮加速度傳感器短期定位精度高、自主導航不受外界干擾的優(yōu)勢，又可以發(fā)揮GPS導航長(cháng)期定位穩定，使用簡(jiǎn)單的優(yōu)勢，減少了誤差積累帶來(lái)的影響，提高了系統性能。 

CPLD設計

在應用車(chē)載導航系統中，不可避免的會(huì )遇到雷雨天氣，以及山嶺洼地等路徑，這樣的條件，自然會(huì )對GPS信號產(chǎn)生嚴重的干擾。為了減少定位的不準確，在使用GPS接收機定位的同時(shí)，利用加速度傳感器來(lái)進(jìn)一步定位。 CPLD主要實(shí)現兩路信號占空比的計算。

CPLD的處理過(guò)程如圖3所示： 

記數控制器用于對分頻器進(jìn)行控制，使分頻器的輸出信號頻率為傳感器輸出頻率的1000倍。由分頻器輸出的信號對傳感器輸出信號進(jìn)行采樣，統計一個(gè)周期內采樣值為1的個(gè)數，并保存在緩存中。

計數器記滿(mǎn)之后，觸發(fā)中斷，通知CPU讀取數據。

為了低功耗考慮，通過(guò)使能信號EN來(lái)控制整個(gè)CPLD是否工作。EN信號可以由EP7312的GPIO口控制。


應用軟件設計

我們在Windows CE操作系統平臺上開(kāi)發(fā)導航程序。Windows CE是Microsoft Windows公司出品的小型的、基于ROM的、具有Win32子集API的操作系統，與其它嵌入式操作系統相比較，具有較強的內存管理、文件管理和GUI功能。而車(chē)載導航系統中，對于顯示地圖調度、用戶(hù)交互界面都有很高的要求。因此，基于Windows CE開(kāi)發(fā)應用程序是非常合適的。

車(chē)載導航系統應用程序是一個(gè)多任務(wù)程序，啟動(dòng)后，初始化與GPS接收機ITRAX02相連的處理器串口1、與ADXL202相連的處理器串口2和與彩色LCD屏相連用于顯示車(chē)輛行駛位置的LCD控制器。作為中央處理器，EP7312實(shí)時(shí)監聽(tīng)串口1和串口2中斷信號。當ADXL202的脈沖調制信號經(jīng)由CPLD換算為占空比值送入處理器，就會(huì )引發(fā)相應的串口中斷。

EP7312檢測到中斷信號時(shí)，由中斷控制器判斷找到相應中斷服務(wù)程序的入口地址，調用程序進(jìn)行處理；當GPS接收到一幀衛星信號時(shí)，也引發(fā)相應的串口中斷，由中斷控制器判斷找到相應中斷服務(wù)程序的入口地址，調用程序進(jìn)行處理。處理占空比值的中斷服務(wù)程序首先緩沖接收到的數據，濾波后經(jīng)過(guò)兩次積分得到一個(gè)周期內的相對位移，記錄下來(lái)退出，交出CPU使用權；處理GPS數據的中斷服務(wù)程序首先緩沖接收到的數據，按照事先約定的格式，從中提取方向和位置信息，記錄下來(lái)，退出并交出CPU使用權。數據處理任務(wù)主要是將相對位移數據與GPS位置數據通過(guò)分布數字卡爾曼濾波方式融合在一起，彌補GPS數據定位精度不夠高的缺陷和加速度傳感器誤差積累的問(wèn)題，以得到精度比較高的定位信息，退出并交出CPU使用權。地圖匹配任務(wù)被調用后采用地圖匹配算法把定位信息投影到電子地圖上，進(jìn)行標繪，通過(guò)對LCD屏的刷新，將定位信息及時(shí)提供給用戶(hù)。應用程序流程如圖4所示。 


結束語(yǔ)

目前，該系統已經(jīng)設計完畢，進(jìn)入最后的測試階段，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的測試，硬件性能和軟件性能良好，是一種可行的設計思路。