基于多MEMS傳感器的姿態(tài)測量系統

引言

傳統的姿態(tài)測量因為采用高精度陀螺儀和加速度計等姿態(tài)傳感器，體積龐大并且價(jià)格昂貴。當前MEMS產(chǎn)品因其體積小、價(jià)格低、功耗低，被稱(chēng)為是傳統的慣性測量組合的一次重大改革，越來(lái)越多地應用于姿態(tài)測量應用中。并且，隨著(zhù)MEMS技術(shù)的迅速發(fā)展以及向各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的滲透，它的各方面性能如精度、魯棒性、動(dòng)態(tài)響應等都得到了巨大的提高。

隨著(zhù)嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，以應用為中心的嵌入式系統由于體積小、功耗低、可靠性高、可裁減性好、軟硬件集成度高，已經(jīng)滲入到我們日常生活的各個(gè)方面，在各行各業(yè)中都得到了應用。而嵌入式與MEMS的結合使姿態(tài)測量系統滿(mǎn)足了低成本、低功耗、微型化的應用需求，給消費電子領(lǐng)域帶來(lái)了巨大進(jìn)步，如智能手機中的重力感應與指南針，同時(shí)給航空、工業(yè)、汽車(chē)、醫療、環(huán)境監控、通信等領(lǐng)域帶來(lái)了十分廣闊的應用前景。

本文采用三軸MEMS陀螺儀、三軸MEMS加速度計及三軸MEMS電子羅盤(pán)與Freescale單片機MC9S08QE8組成一個(gè)嵌入式姿態(tài)測量系統。陀螺儀由于動(dòng)態(tài)性能好，用于獲取實(shí)時(shí)姿態(tài)信息。但陀螺儀因為會(huì )產(chǎn)生偏移，而加速度計與電子羅盤(pán)因其靜態(tài)性能比較優(yōu)越，所以用來(lái)對陀螺儀姿態(tài)計算過(guò)程中的誤差進(jìn)行修正。

1 系統組成和結構

本系統主要由單軸陀螺儀LY530AL、雙軸陀螺儀LPR530AL、三軸MEMS加速度計ADXL345、三軸MEMS電子羅盤(pán)HMC5843及單片機MC9S08QE8組成。其中X、Y方向的雙軸陀螺儀與Z軸方向的單軸陀螺儀組合成三軸陀螺儀，它們的信號由單片機MC9S08QE8的ADC模塊進(jìn)行采集，而加速度信號和電子羅盤(pán)信號則通過(guò)I2C總線(xiàn)傳送到單片機。這9路信號在單片機中首先經(jīng)過(guò)前期的處理，而后由單片機中的姿態(tài)計算算法程序獲取3個(gè)姿態(tài)角信息，這3個(gè)信息通過(guò)單片機MC9S08QE8的串口模塊傳送到上位機進(jìn)行演示，嵌入式姿態(tài)測量系統結構框圖如圖1所示。

1.1 三軸MEMS陀螺儀

系統中三軸MEMS陀螺儀由ST公司的單軸Z方向的陀螺儀LY530AL和雙軸X、Y方向的陀螺儀LPR530AL組合而成。它們采用電容式微機械陀螺儀原理，由于ST公司選用了音叉方法，并且振動(dòng)驅動(dòng)電路采用了雙閉環(huán)的控制結構，顯著(zhù)地提高了陀螺儀的穩定性和分辨率。測量范圍達±300°/s，擁有自測功能，輸出端集成了低通濾波電路，工作電壓為1.8～3.6 V，待機模式電流小于1μA。

1.2 三軸MEMS加速度計

系統中三軸MEMS加速度計選用ADI公司的ADXL345。ADXL345是基于iMEMS技術(shù)的三軸、數字輸出加速度傳感器，具有±2g、±4g、±8g、±16g可變的測量范圍。芯片內帶的32級FIFO存儲可以緩存數據，從而減輕處理器的負擔并降低了系統功耗。ADXL345具有較高的分辨率與靈敏度、3 mm×5 mm×1 mm超小封裝、40～145μA超低功耗及標準的I2C或SPI數字接口，非常適合于移動(dòng)設備的應用。

1.3 三軸MEMS電子羅盤(pán)

系統中的三軸MEMS電子羅盤(pán)采用霍尼韋爾公司的HMC5843，它采用霍尼韋爾公司的各向異性磁阻(AMR)技術(shù)，由霍尼韋爾高精度的HMC11 8X系列磁阻傳感器組成，在低強度磁場(chǎng)傳感器中具有較高的靈敏度和可靠性。2.16～3.3 V的低電壓供電、0.66 mA電流功耗，以及3mm×3 mm×0.9 mm的小體積，在消費電子設備、導航系統中擁有明顯的優(yōu)越性。

1.4 單片機MC9S08QE8

系統中單片機采用Freescale公司的MC9S08QE8。MC9S08QE8采用了眾多新技術(shù)，如電池壽命、延長(cháng)技術(shù)、增強型的低功耗性能以及超低電壓下的高級運行能力等。同時(shí)具有極高的集成度，集成了很多系統級功能，如12位高精度A/D轉換器、定時(shí)器、SPI、I2C、SCI等常用模塊，非常適合低功耗、低成本的應用。

2 應用電路設計

2.1 電源模塊

本系統的電源穩壓電路為整個(gè)系統所有設備供電，考慮到系統中涉及數字型和模擬型傳感器，采用了低噪音、低漂移、供電電壓為3.3 V的線(xiàn)性穩壓芯片MIC5205。電源穩壓電路原理圖如圖2所示。其中，C1是連接芯片內部電壓參考源與GND的電容，用來(lái)減少輸出電壓的噪音，而C2作為輸出與GND的電容，用來(lái)防止電路產(chǎn)生振蕩。C2的電容大小與C1有關(guān)，但當C1為470 nF時(shí)，C2一般為2.2μF。D1為電源的指示燈。

2.2 陀螺儀與ADC模塊

MC9S08QE8單片機內帶的ADC模塊是基于逐次逼近型12位模數轉換器。它提供10個(gè)輸入通道，可以配置采用時(shí)間轉換速度及功耗，可以設置預置比較，從而保證某些不符合要求的數據不用保存。其中最能體現高性能特點(diǎn)的是可以設置連續序列轉換方式，這種模式下，ADC硬件可自動(dòng)實(shí)現所設定的幾個(gè)通道連續轉換，并把轉換結果存入響應的數據寄存器中，而不用程序循環(huán)實(shí)現。這樣既簡(jiǎn)化了程序設計，又降低了轉換功耗，減輕了MC9S08QE8的負擔。

陀螺儀與單片機ADC模塊的接口如圖3所示。圖中ST、HP、PD作為自我測試、能量控制、高通濾波設置3個(gè)引腳，它們分別連接到MC9S08 QE8的通用I/O接口上。一般它們都接下拉電阻，默認為正常工作模式，如果需要對相應的工作模式進(jìn)行改變則須改變對應MC9S08QE8I/O口的電平為高電平。而LY530AL與LPR530AL的輸出信號(4xOTUX、4xOTUY、4xOTUZ引腳)與輸出參考電壓(Vref引腳)分別接MC9S08QE8的ADC模塊的相應通道。設計中特別注意的是，LPR530AL有2種輸出模式：一種是采用經(jīng)過(guò)內部放大4倍后的輸出，另一種是正常的輸出。當采用非線(xiàn)性放大輸出方式時(shí)，應當把LPR530AL的5引腳和9引腳連接GND;如果采用放大輸出方式并且外部沒(méi)有擴展旁路濾波，則應當分別把4和5引腳、9和10引腳短接。圖3中，LY530AL工作原理與LPR530AL相似。