數字式MEMS加速度傳感器在車(chē)載導航中的應用

　　隨著(zhù)定位導航技術(shù)的飛速發(fā)展，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作指示，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，隨著(zhù)城市道路的發(fā)展，高架路日益成為城市交通的樞紐，因此如何對車(chē)輛是否位于高架上的定位成為了車(chē)載導航系統急需解決的問(wèn)題。常用的GPS 衛星定位雖然可以測量高度，但是誤差卻在100m左右，無(wú)法達到高架一般幾米的要求，所以直接測量的方法是很難滿(mǎn)足的。

　　這里使用國外成熟的加速度計器件ADXL 202JE，通過(guò)測量車(chē)輛上下高架時(shí)的傾斜角變化，結合GPS定位來(lái)判斷車(chē)輛是否位于高架上。

　　系統設計

　　測量原理

　　ADXL 202JE采用先進(jìn)的MEMS技術(shù)，在同一硅片中刻蝕了一個(gè)多晶硅表面微機械傳感器，并集成了一套精密的信號處理電路，如圖1 所示。

　　圖1　ADXL 202 功能結構框圖

　　傳感器主要是由一個(gè)利用表面微機械加工的多晶硅機構和一個(gè)差動(dòng)電容器組成。在加速度的作用下，多晶硅結構會(huì )產(chǎn)生偏移使電容值發(fā)生變化。在信號處理電路中(如圖1) ，差動(dòng)電容器的變化信號由解調器解調后通過(guò)一個(gè)RC 濾波器(由內部RFy，RFy和外部CFy，CFy構成) 送到占空比調制器中，由調制器轉換為占空比與加速度成正比的方波，方波的周期(T2) 可以通過(guò)RS 確定。這個(gè)方波可以直接送到單片機進(jìn)行處理，通過(guò)使用計數器測量方波周期T2 以及脈沖的寬度T1 (如圖2) ，從而得到加速度的值。

　　圖2　ADXL 202JE 輸出波形示意圖

　　加速度: a= (T1/T2- u0g)/u1g式中：T2 由占外接電阻器RS 確定，其關(guān)系為T(mén)2= RS/125兆歐; u0g為0g 對應的占空比，其典型值是50%; u1g表示1g 加速度變化引起的占空比變化值，對于A(yíng)DXL 202JE，1g的典型值是12.5%。

　　硬件設計

　　如圖3，系統主要包括三個(gè)部分。

　　圖3　測量電路原理框圖

　　(1) 測量部分電路主要由ADXL 202JE構成，并輔助以一些濾波及調節電路;

　　(2) 系統控制電路部分主要由AT89C52單片機以及MAX232構成，由單片機處理占空比調制信號，MAX232芯片實(shí)現串口通信;

　　(3)GPS模塊選用摩托羅拉的GT型Oncore接收器。

　　軟件設計

　　單片機采用中斷觸發(fā)的方式來(lái)測量傳感器輸出脈沖周期，從而計算當前系統的傾斜角，并結合GPS模塊判斷車(chē)輛是否上高架，主要流程框圖如圖4 所示。

　　圖4　程序流程圖

　　結論與討論

　　測量動(dòng)態(tài)加速度的帶寬選擇

　　ADXL 202JE帶寬式中：

　　占空比調制器周期的確定

　　對于A(yíng)DXL 202JE，當DCM輸出方波頻率大于模擬帶寬10倍以上，測量準確度就很理想，因此周期越小越好。但是周期的減小對微控制器的處理速度要求會(huì )提高，而實(shí)際中硬件的處理速度是受到器件性能限制的。綜合以上因素，方波的周期是根據模擬帶寬、處理器速度以及測量分辨力的要求共同確定的。

　　實(shí)驗分析

　　根據實(shí)際的精度要求，實(shí)驗選用1uF 的濾波電容，這樣帶寬為5Hz，噪聲約為0.43mg。Rs阻值為1M，這樣輸出方波周期約為141Hz。采用12M晶振的單片機，這樣占空比的精度可到達0.14%。在實(shí)際車(chē)載實(shí)驗中，經(jīng)過(guò)濾波和平滑處理，并通過(guò)反復調試基本實(shí)現了設計目的(圖5 是實(shí)際測得的數據)。

　　圖5　車(chē)輛上下高架時(shí)傾斜角測量曲線(xiàn)

　　結論

　　應用上述的設計方法及其要點(diǎn)，基本實(shí)現了對車(chē)輛定位的要求，達到了預期效果。實(shí)踐證明ADXL 202JE非常適合于頻率變化較為緩慢、加速度不太大的測量。在充分考慮各種因素基礎上，合理設計有關(guān)參數，就可以得到很好的準確度。