基于雙軸加速度傳感器的新型角度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，角度測(cè)量裝置是非常關(guān)鍵的需要高精度的部件，其測(cè)量精度直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能和精度。例如施工升降機(jī)上有角度測(cè)控機(jī)構(gòu)來控制起降;火箭炮瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中都有大量的角度傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)炮塔偏轉(zhuǎn)角度，以便對(duì)火箭炮瞄準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整。目前已有的利用的加速度傳感器實(shí)現(xiàn)高精度角度測(cè)量的研究，主要側(cè)重于單軸的角度測(cè)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(cè)量的軟硬件方法。

　　1角度測(cè)量?jī)x系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

　　本角度測(cè)量?jī)x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(cè)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，圖1所示為角度測(cè)量?jī)x硬件結(jié)構(gòu)框圖。

　　圖1角度測(cè)量?jī)x硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　2角度測(cè)量模塊

　　角度測(cè)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(cè)量范圍為-2g～+2g，既能測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度，又能測(cè)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(cè)量模塊的核心芯片。圖2是它的功能結(jié)構(gòu)框圖。

　　圖2 ADXL202的功能結(jié)構(gòu)框圖

　　由圖2可知，ADXL202是基于單片集成電路的完善的雙軸加速度測(cè)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。

　　ADXL202由振蕩器、X和Y軸傳感器、相位解調(diào)器和脈寬占空比解調(diào)器組成，它的功能實(shí)現(xiàn)過程是，X、Y軸傳感器受到加速度力后輸出振幅變化的方波，輸出方波的振幅與加速度成正比。相位解調(diào)器能夠?qū)敵龅姆讲ㄐ盘?hào)進(jìn)行修正并提取信息，然后判斷加速度方向。相位解調(diào)器的輸出會(huì)經(jīng)過一個(gè)低通濾波電路，可以通過改變?yōu)V波電容的大小來設(shè)置輸出信號(hào)的帶寬。經(jīng)過低通濾波的模擬信號(hào)進(jìn)入DCM，被轉(zhuǎn)換為脈寬占空比信號(hào)輸出。

　　2.1角度測(cè)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(cè)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：

　　T2=RSET/125 MΩ(1)

　　在X、Y方向上的加速度分量值可由下式計(jì)算：

　　A(g)=(T1/T2-0.5)/12.5% (2)

　　表1是芯片的技術(shù)文檔提供的RSET和T2配置表。我們選擇125 kΩ的RSET，將周期T2設(shè)定為1 ms.

　　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(cè)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.

　　引腳連接的規(guī)范：13、14是兩個(gè)電壓輸入引腳VDD，直接與5 V電源連接，同時(shí)連接退耦電容CDC，推薦使用0.1μF;4、7是兩個(gè)接地引腳COM，直接接地;2腳VTP保持開路，不與其他任何引腳相連;3腳ST是自檢輸入端，當(dāng)接VDD時(shí)能檢查加速度計(jì)的功能，平時(shí)該引腳開路，也可與COM相連。引腳配置如圖3所示。

　　圖3 ADXL202引腳配置

　　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(cè)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。

　　圖4角度采集原理圖