采用加速度傳感器的角度測量儀系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

　　在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，角度測量裝置是非常關(guān)鍵的需要高精度的部件，其測量精度直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能和精度。目前已有的利用的加速度傳感器實(shí)現(xiàn)高精度角度測量的研究，主要側(cè)重于單軸的角度測量。本文將重點(diǎn)討論利用雙軸加速傳感器ADXL202實(shí)現(xiàn)高精度角度測量的硬件方法。

　　本角度測量儀采用STM32F107作為數(shù)據(jù)處理的核心芯片。這是一款低功耗、高速度的32位處理器，擁有Cortex-M3內(nèi)核。角度測量模塊使用的是高精度、低功耗的雙軸加速度傳感器ADXL202，能將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字方波信號(hào)輸出，可直接與STM32F107連接，通過一定的算法即可計(jì)算出當(dāng)前的傾斜角度。顯示模塊使用的是12864ZW型128×64的點(diǎn)陣液晶顯示器。

　　角度測量模塊

　　角度測量模塊使用的是ADI公司出品的低成本、低功耗、高精度的雙軸加速度傳感器 ADXL202，其測量范圍為-2g～+2g，既能測量動(dòng)態(tài)加速度，又能測量靜態(tài)加速度。它的工作電壓是3.0～5.25 V，工作電流低于0.6 mA，最高主頻可達(dá)到70 MHz，所以從功耗、靈敏度和精確度考慮，選擇ADXL202作為角度測量模塊的核心芯片。

　　圖 ADXL202的功能結(jié)構(gòu)框圖

　　角度測量模塊硬件電路設(shè)計(jì)

　　為保證ADXL202高精度穩(wěn)定的工作，需要根據(jù)芯片技術(shù)文檔和實(shí)際使用情況，來配置信號(hào)周期、濾波電容（決定信號(hào)的帶寬）。ADXL202的輸出信號(hào)是脈寬占空比調(diào)制信號(hào)，占空比T1/T2與被測加速度成正比。0g時(shí)，其輸出為50%占空比，靈敏度為每g所引起的脈寬占空比變化12.5%。查閱芯片的技術(shù)文檔，可以通過電阻RSET來設(shè)定DCM的周期：ADXL202 通過XFILT、YFILT外接電容CX、CY來設(shè)定ADXL202的帶寬，這個(gè)帶寬決定了它的測量精度，同時(shí)電容CX、CY可以去混疊和濾波。為了使脈寬占空比的誤差最小，模擬帶寬應(yīng)比脈寬占空比的頻率低1/10。對(duì)技術(shù)文檔提供的表2進(jìn)行分析，并考慮設(shè)定T2為1 ms，脈沖占空比頻率為1 kHz，為滿足實(shí)際需要和DCM誤差最小的要求，選擇0.05μF的濾波電容，此時(shí)模擬帶寬為100 Hz。根據(jù)芯片的引腳配置圖和以上的各類配置，可以設(shè)計(jì)角度檢測模塊的硬件電路，其電路原理如圖4所示，其脈沖輸出端直接與STM32F107的I/O口相連。

　　角度采集原理圖

　　由圖可知，ADXL202是基于單片集成電路的完善的雙軸加速度測量系統(tǒng)，對(duì)X、Y軸而言，輸出環(huán)路將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈寬占空比的數(shù)字信號(hào)輸出，這些數(shù)字信號(hào)可直接傳輸給STM32F107，無需A/D轉(zhuǎn)換或其他附加的其他電路。

　　本文論述了一種基于ADXL202的高精度角度測量儀的研究和設(shè)計(jì)方法，對(duì)ADXL202的角度測量原理和STM32F107的輸入捕獲功能進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，該測量儀能高精度地完成角度測量，而且可靠性好，對(duì)角度測量的研究和設(shè)計(jì)有著積極的意義。