ADISl6355 MEMS的慣性測量組件系統設計

ADISl6355 MEMS的慣性測量組件系統設計

　　首先簡(jiǎn)介ADISl6355AMLZ型MEMS的原理、構成及應用。在此基礎上，搭建一個(gè)硬件平臺，采用內置USB控制器的AT89C513lA型單片機作為主控制器，控制ADISl6355AMLZ并采集、存儲數據。并對慣性測量組件系統進(jìn)行數據采集設計。經(jīng)測試，該系統達到了預期設計要求。

　　運動(dòng)目標跟蹤測量、視頻監控等各種實(shí)時(shí)測量系統在工業(yè)、生活中應用日益廣泛。然而在這些系統中存在一個(gè)共同問(wèn)題；如何保持攝像機的穩定，處理在跟蹤過(guò)程中攝像機出現的抖動(dòng)。傳統的方法是采用預先建立的數學(xué)模型在后期進(jìn)行算法處理來(lái)糾正攝像機出現的抖動(dòng)誤差，然而這種情況下要求建立的數學(xué)模型相當可靠，而實(shí)際處理產(chǎn)生的誤差也較大，雖然個(gè)別系統也采用慣性測量組件，但大都功能單一、精度較低。這里主要針對ADI公司生產(chǎn)的ADISl6355AMLZ在攝像穩定中的作用，設計一個(gè)高精度的慣性測量組件系統。將其應用在需要攝像穩定的跟蹤、監控攝像機上，可以準確記錄出現的抖動(dòng)誤差，有效提高測量精確度。

　　1 ADISl6355AMLZ概述

　　1．1 ADISl6355AMLZ的基本原理

　　ADISl6355AMLZ是ADI公司生產(chǎn)的一款數字輸出、全溫校準的高性能、微慣性測量系統。其輸出為SPI串行接口，提供3個(gè)角速率信號、3個(gè)線(xiàn)加速度計信號、溫度傳感器信號、電源電壓信號和1個(gè)輔助的模擬輸入。ADISl6355AMLZ是一種微機械陀螺儀，屬于振動(dòng)陀螺儀VG(Vibrat- ory Gymscope)。振動(dòng)陀螺儀的基本工作原理都是產(chǎn)生并檢測哥氏加速度，即利用哥氏效應使陀螺的2個(gè)振動(dòng)模態(tài)間產(chǎn)生能量轉換。哥氏加速度在旋轉坐標系中表征加速度，與旋轉坐標系的旋轉速率成比例。

　　1．2 ADISl6355AMLZ的基本構成

　　ADISl6355AMLZ是ADI公司MEMS器件ADISl635X系列的角速度、加速度測量傳感器，其核心傳感器部件均采用iMEMs技術(shù)，屬于利用哥氏效應的振動(dòng)陀螺儀。輸出零偏穩定性為O．015(°)／s，角度隨機游走為4．2(°)／s，而其溫度系數則為O．008(°)／s／℃，因此適用于角度精度要求較高的場(chǎng)合。ADISl6355AMLZ提供一個(gè)串行外部接口SPI，可對器件進(jìn)行配置，獲得運行狀態(tài)與測量結果等；對外部供電要求不高，內部自帶高精度穩壓電路，外圍電路較少。

　　2 慣性測量組件系統設計

　　這里主要利用ADISl6355AMLZ在攝像穩定方面的重要作用，可有效校正攝像機在跟蹤運動(dòng)目標過(guò)程中由于抖動(dòng)而產(chǎn)生的誤差，并能較好解決在跟蹤過(guò)程中運動(dòng)目標在攝像機視場(chǎng)中丟失的問(wèn)題，與傳統的根據已建立的數學(xué)模型來(lái)處理目標丟失現象相比，準確度較高。

　　2．1系統硬件設計

　　該系統硬件電路主要包括AT89C513lA、K9F1G08UOM存儲器、ADISl6355AMLZ等。圖1為系統硬件框圖。

　　MCU控制器作為主控制器可直接控制慣性測量組件的工作狀態(tài)、數據采集，并將慣性測量組件采集的數據轉存到存儲器件內，或通過(guò)USB接口直接傳入PC機處理。AT89C513lA是Atmel公司生產(chǎn)的基于80C52內核的高性能8位單片CPU微處理器器件，片上集全速USB控制器和SPI接口，可方便地與陀螺儀器件連接，并通過(guò)USB接口將數據高速采集到PC機。K9F1G08UOM是三星公司的NAND Flash存儲器件，其容量為128 MB，在慣性測量組件高速采集的情況下可存儲至少4 h的連續采集數據量。其內部存儲列為1 024塊。每塊分為64頁(yè)，1頁(yè)包含2 112字節，命令、地址、數據信息通過(guò)8條I／O線(xiàn)時(shí)分復用?？蓤绦? K字節的頁(yè)編程操作和頁(yè)讀操作。

　　在該系統中，ADSl6355AMLZ作為從設備通過(guò)SPI接口與外界通信，輸出測得的三軸角速度、三軸加速度、三軸溫度、電壓值，外部CPU也可通過(guò)該接口設置ADISl6355AMLZ內部寄存器，從而增強使用的靈活性。圖2為慣性測量組件的讀操作SPI時(shí)序圖。

　　從圖2中可看出，ADISl6355AMLZ的1次SPI傳輸包括16位數據。其中第l位是此次SPI傳輸的讀寫(xiě)狀態(tài)標識，第2位為O，接著(zhù)的6特位是即將讀或寫(xiě)的寄存器地址，最后的8位在寫(xiě)操作時(shí)是將要寫(xiě)入寄存器的數據，如果是讀操作則無(wú)效。完成ADISl6355AMLZ的1個(gè)讀操作需2次16位的 SPI通信，其中第1次是寫(xiě)入將要讀取的寄存器地址，讀寄存器的內容將在第2次SPI通信時(shí)出現在A(yíng)DISl6355AMLZ的DOUT信號線(xiàn)上，輸入 SPI的主設備。

　　AT89C5131A內置包含SPI接口，可方便地與ADISl6355AMLZ連接，通過(guò)SPI接口配置相應的寄存器即可控制 ADISl6355AMLZ。由于該單片機為8位。其內部寄存器也為8位。因此需對自身的SPI寄存器進(jìn)行2次寫(xiě)操作，才能完成 ADISl6355AMLZ 1次SPI數據傳輸。該單片機內含1個(gè)USB控制器，可向PC機高速傳輸數據。

　　2．2慣性測量組件系統硬件電路設計

　　該系統的硬件電路部分主要由內置USB控制器的AT89C513l、NAND Flash器件K9F1G08UOM電路以及ADISl6355AMLZ組成，硬件接口如圖3所示。必須寫(xiě)入相應的命令才能順利執行 ADISl6355AMLZ和NAND Flash的各種操作，南于數據線(xiàn)與地址線(xiàn)復用為8根線(xiàn)，因此地址、命令以及數據的輸入／輸出需要通過(guò)命令鎖存信號(CLE)和地址鎖存信號(ALE)共同控制從分時(shí)復用。

　　圖3中，I／O[7：0]：數據輸入／輸出端口，該信號與AT89C513l的AD[7：0]連接。寫(xiě)使能信號。在其上升沿時(shí)，命令、地址和數據鎖存到相應的寄存器中。該信號與AT89C513l的信號連接。：讀使能信號。在其下降沿時(shí)，輸出數據到I／O總線(xiàn)，同時(shí)，它還可以對內部數據地址進(jìn)行累加。該信號與AT89C513l的信號連接。CLE：命令鎖存使能信號。當CLE為高電平時(shí)，命令在上升沿通過(guò)I／O端口送入命令寄存器。該信號與 AT89C5131的P2．0引腳連接。ALE：地址鎖存使能信號。當ALE為高電平時(shí)，地址在上升沿送入地址寄存器。該信號與AT89C513l的 P2．1引腳連接。：片選信號。用于控制設備的選擇，當設備忙時(shí)為高電平而被忽略。當處于編程和擦除操作時(shí)設備不能回到備用狀態(tài)。該信號與 AT89C513l的P2．2引腳連接。：準備好／忙輸出。當它為低電平時(shí)，表示編程、擦除和隨機讀操作正在進(jìn)行，在操作完成后返回高電平；當該器件沒(méi)被選中或輸出禁止時(shí)，其為高電平。該信號與AT89C513l的P2．3引腳連接。ADISl6355-AMLZ外部主要通過(guò)SPI接口與 AT89C5131的SPI接口對應相連。

　3 系統數據采集設計

　　USB總線(xiàn)具有速度快、連接簡(jiǎn)單快捷、無(wú)需外接電源、支持多設備連接等優(yōu)點(diǎn)，現已廣泛應用于數據采集系統。這里選用的AT89C513lA單片機內含 USB控制器，因此PC機通過(guò)USB口實(shí)時(shí)采集數據或從Flash存儲器上統一采集數據。

　　Microsoft公司未提供適合于本系統USB接口的驅動(dòng)程序，因此需自行開(kāi)發(fā)。該程序的功能是：當USB設備連接到主機上時(shí)，主機可以發(fā)現新設備，然后建立連接并完成數據傳輸任務(wù)，也就是能夠讓W(xué)indows正常檢測和識別USB設備。采用Driver-Studio中的DriverWorks作為開(kāi)發(fā)工具，開(kāi)發(fā)WDM型的USB驅動(dòng)程序。圖4為系統數據采集流程。

　　4 結束語(yǔ)

　　這里所設計的慣性測量組件系統主要采用基于哥氏效應的ADISl6355 MEMS器件，測量運動(dòng)目標的三軸角速度、加速度，采用內含USB控制器的AT89C5131A微控器進(jìn)行控制，只需很少的外圍器件，即可獲得性能優(yōu)異、應用靈活方便的慣性測量組件系統。本設計既可將數據實(shí)時(shí)采集送回PC機處理，也可先將數據存儲在Flash上，然后統一采集到PC機上處理，充分體現了系統應用的靈活性，并且稍加修改就可應用在慣性測量組件的其他應用領(lǐng)域中，具有較好的推廣前景。