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傾角傳感器是測量關(guān)于水平傾斜角的裝置，傾角變化測量儀器是許多工業(yè)應(yīng)用設(shè)備需要具備的一個組成部分，包括測量設(shè)備、衛(wèi)星天線穩(wěn)定系統(tǒng)、工廠機(jī)床、運(yùn)動安全監(jiān)視器和汽車輪位對準(zhǔn)裝置等。準(zhǔn)確地測量傾角的變化，有利于這些設(shè)備更加穩(wěn)定的工作及避免事故發(fā)生�，F(xiàn)在采用的傾角測量儀大多數(shù)體積較大，信號采集比較慢，測量精度不高，誤差較大，需要做大量的溫度補(bǔ)償和校準(zhǔn)工作。這些缺點(diǎn)制約著工業(yè)設(shè)備性能的提高，也加大了工程的工作量。 ADIS16209是ADI公司新推出的一款精密的微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)傾斜計(jì)，提供小于O．1°線性傾斜誤差的全補(bǔ)償直接角度輸出，它使用出廠時安裝的校正系數(shù)動態(tài)地檢測系統(tǒng)環(huán)境并且補(bǔ)償直接數(shù)字角度輸出以便解決電壓、溫度、角度和其他參數(shù)變化引起的誤差，減少了產(chǎn)品設(shè)計(jì)時間、減低成本和復(fù)雜性。 本文詳細(xì)地介紹ADIS16209的功能特性和使用方法，并使用Luminary公司的LM3S8962 Cortex-M3微處理器與之組合設(shè)計(jì)一個傾角測量系統(tǒng)。最后對測量結(jié)果進(jìn)行分析。 1 ADIS16209功能與使用方法 ADIS16209的是一種高精度、數(shù)字化傾角測量儀和雙軸加速度測量儀，可以在單軸(±180°)，雙軸(±90°)等兩種模式下運(yùn)作。標(biāo)準(zhǔn)電源電壓 (3．3 V)和串行外設(shè)接口(SPI)設(shè)計(jì)最簡單，集成方便。一個簡單的內(nèi)部寄存器結(jié)構(gòu)處理所有的輸出數(shù)據(jù)和配置功能。這包括訪問以下輸出數(shù)據(jù)：校準(zhǔn)加速度、準(zhǔn)確傾斜角度、電源、內(nèi)部溫度、輔助模擬和數(shù)字輸入信號、診斷錯誤標(biāo)志和可編程報(bào)警條件。 ADIS16209采用9．2 mm×9．2 mm×3．9 mmLGA封裝，可工作在-40～+125℃，能連接使用標(biāo)準(zhǔn)RoHS標(biāo)準(zhǔn)的回流焊工藝，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療儀器、測量設(shè)備、工廠機(jī)床、機(jī)器人、慣性測量單元、導(dǎo)航控制等領(lǐng)域。 1．1 ADIS16209的功能 如圖l所示，分別是ADIS16209的功能圖、安裝示意圖與引腳圖。由圖1(a)可知，ADIS16209主要由兩軸MEMS加速度計(jì)、溫度傳感器、1 個模／數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC)、1個數(shù)／模轉(zhuǎn)換模塊(DAC)和報(bào)警模塊(ALARMS)組成。傳感器感知外界信號后，信號調(diào)理并轉(zhuǎn)換，經(jīng)過信號處理后，將得到的數(shù)據(jù)結(jié)果存入輸出寄存器。通過SPI總線，外部SPI主控器件向ADIS16209發(fā)送控制指令或者讀取。ADIS16209內(nèi)部設(shè)置有控制寄存器，寄存器都有默認(rèn)的值，通過對控制寄存器的修改寫操作，可以改變采樣頻率，改變平均濾波參數(shù)等多個方面的控制效果。每個采樣周期結(jié)束后，傳感器測量結(jié)果存放至輸出寄存器，并且DIO1引腳向器件外產(chǎn)生一個脈沖，表示一組新的完整的測量數(shù)據(jù)已經(jīng)采集準(zhǔn)備好，可供外部SPI主控器件讀取。 圖1(b)是ADIS16209坐標(biāo)朝向圖，傳感器測量的Ax與Ay兩個方向上的加速度分量。第1，2，3，4引腳是傳感器的SPI接口，第9引腳RST是傳感器的復(fù)位引腳。 1．2 ADIS16209使用方法 1．2．1 ADIS16209硬件連接 ADISl63209的SPI接口與各種微處理器SPI主控制器件接線如圖2所示。 SPI總線的時鐘頻率最高可以達(dá)到2．5 MHz。但ADIS16209的采樣頻率對SPI時鐘一定的要求：當(dāng)采樣頻率大于等于546 SPS時，SPI的時鐘頻率最高可以采用2．5 MHz。當(dāng)采樣頻率小于546 SPS時，SPI的時鐘頻率應(yīng)不大于1 MHz，建議采用1 MHz。 1．2．2 ADIS16209數(shù)據(jù)讀寫與數(shù)據(jù)處理 通過SPI總線，可以對ADIS16209進(jìn)行讀寫操作。可以根據(jù)自己的要求設(shè)置控制寄存器的值達(dá)到控制效果，也可以使用寄存器的默認(rèn)設(shè)置�？刂浦噶钣�1 位的讀寫控制位，1位空位，6位寄存器地址位和8位的數(shù)據(jù)位組成。向ADIS16209寫控制指令時，要將指令的最高位置1，例如，要將采樣頻率設(shè)置為2 731 SPS，也就是采樣頻率寄存器的值設(shè)置為0x0001，那么寫指令就應(yīng)該如下：先寫寄存器低地址0x36，數(shù)據(jù)為0x0l，再寫高地址0x37，數(shù)據(jù)為 0x00，所以指令為0xB6018700。對其他的控制寄存器的修改也可按照這樣的方式修改。 讀取ADIS16209輸出的數(shù)據(jù)與寫控制指令稍有區(qū)別，讀取每個寄存器的值要分為2個16位的時序。第1個16位時序向ADIS16209寫入讀取命令和寄存器地址。第2個16位時序?qū)?yīng)寄存器內(nèi)容發(fā)送至DOUT數(shù)據(jù)線上，微控制器才可以得到正確的數(shù)據(jù)。如要讀取x軸加速度寄存器的值(X_ACC)，那么第1個16位時序DIN=0x0400，第2個時序XACCL_OUT(x軸加速度值)將被發(fā)送到DOUT數(shù)據(jù)線上，SPI主機(jī)此時讀到的數(shù)據(jù)才是上一個16位讀指令發(fā)出的需要的指令。 從SPI總線上讀取到的傳感器數(shù)據(jù)是二進(jìn)制數(shù)據(jù)或者二進(jìn)制補(bǔ)碼形式的數(shù)據(jù)。需要對其進(jìn)行一定的解讀才可以得到實(shí)際輸出的代表的值。傳感器輸出的各個值代表的意義可詳見A13ISl6209的數(shù)據(jù)手冊中的output Data Register Format表。其中SUPPLYOUT，AUX ADC和TEMP OUT的數(shù)據(jù)格式都為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，可以使用以下公式進(jìn)行解算： 式中：VALUE代表實(shí)際的測量量的值；DATA_VAL_UE代表寄存器的值；Scale代表寄存器每個最小單位代表的實(shí)際值；n為對應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)位數(shù)。 XACC_OUT，YACC_OUT，XINCL_OUT和YINCL_OUT輸出的數(shù)據(jù)格式均為14位2的補(bǔ)碼，可以使用以下公式進(jìn)行解算： 式中：DATA_VALUE為寄存器的輸出數(shù)據(jù)；VALUE為轉(zhuǎn)換后實(shí)際的測量量的值；Scale為寄存器值最小值代表的最小單位；n為對應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)位數(shù)。 2 基于Luminary LMS8962與ADIS16209的傾角測量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 下面介紹基于Luminary公司的LMS8962與ADIS16209的傾角測量系統(tǒng)的原理與設(shè)計(jì)。 2．1 傾角測量原理 加速度計(jì)是測量物體所受除萬有引力加速度以外的加速度。將ADIS16209靜止放在水平面時，其受到的是水平面對其向上的支撐力的加速度和地球自轉(zhuǎn)的向心加速度的矢量和。而地球自轉(zhuǎn)的向心加速度很小，在測量中忽略不計(jì)。那么只要使得ADIS16209將一個加速傳感器的輸出擺置為O時，也即是將傳感器擺置如圖3(a)所示�；蛘邇蓚�加速度計(jì)測得的矢量和等于水平面對其向上的支撐力的加速度，也就是重力加速度的反方向矢量，也即是將傳感器擺置如圖4(a) 所示。那么就可以利用這些矢量求出傳感器與水平的傾角關(guān)系。 當(dāng)使用單軸測量方式時，如圖3(b)所示，可知Ay軸測得的分量為O，Ax軸測得的分量為ax，那么Ax軸與水平面的夾角： 同理可以得到使用Ay軸作單軸測量方式時，Ay軸與水平面的夾角： 當(dāng)使用雙軸測量方式時，如圖4(b)所示，傳感器Ax與Ay軸組成的平面垂直于水平面，那么重量加速度軸 測得的分量為ax，那么Ax軸與水平面的夾角： Ay軸與水平面的夾角： 2．2 硬件電路設(shè)計(jì) 本文使用Luminary公司的LMS8962與ADIS16209搭建成傾角測量系統(tǒng)。LMS8962是一款高性能的32位Cortex-M3內(nèi)核微處理器，它有豐富的片內(nèi)外設(shè)，如模／數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)，PWM，CAN和串行總線(SSI)等，功能強(qiáng)大，易于集成。 如圖5所示是由LMS8962與ADIS16209組成的傾角測量系統(tǒng)。LMS8962通過SSI總線(SSI是串行通信總線，它兼容SPI總線。)與ADIS16209進(jìn)行通信。將采集到的數(shù)據(jù)存儲到SD卡中，將解算得到的結(jié)果實(shí)時在LCD上顯示出來。 2．3 軟件設(shè)計(jì) 如圖6所示是系統(tǒng)的軟件流程圖。程序啟動進(jìn)入系統(tǒng)初始化，接下來向ADIS16209寫控制指令，以設(shè)置ADIS16209工作在需求的模式下，然后讀取返回的數(shù)據(jù)并進(jìn)行解算，最后通過存儲數(shù)據(jù)到SD卡中并在液晶模塊中顯示出來。 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 Crossbow Technology公司的AHRS500GA-226是高精度的IMU，其廣泛應(yīng)用于航空航天等高科技領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)以AHRS輸出的結(jié)果為參考，將 ADIS16209與AHRS固定于同一平臺上，使得ADIS16209的Ax與Ay軸與AHRS的Ax與Ay軸方向相一致。令它們的Ax與Ay軸組成的平面與水平面垂直，繞著Ax與Ay軸組成的平面的垂直線轉(zhuǎn)動，使Ax與Ay軸與水平面成一定的夾角。圖7～圖10是ADIS16209與AHRS輸出的數(shù)據(jù)結(jié)果的對比，圖中主要看較平穩(wěn)的數(shù)據(jù)部分，數(shù)據(jù)抖動部分是因?yàn)樵谇袚Q方向，切換方向時手對傳感器有一個加速度，疊加在原來靜止?fàn)顟B(tài)下受到的力，此時測量到的不能作為準(zhǔn)確的結(jié)果。 4 結(jié)語 (1)在靜止?fàn)顟B(tài)下，ADIS16209雙軸加速度計(jì)的輸出與AHRS的輸出趨勢吻合，誤差小于O．005g，具有較高的精度。 (2)在靜止?fàn)顟B(tài)下，由ADIS16209雙軸測量方式得到的AX軸、AY軸與水平面的夾角和AHRS測得的結(jié)果趨勢吻合，誤差在1°以內(nèi)，在但是ADIS16209有一定的噪聲，如果對ADIS16209輸出的加速度值進(jìn)行濾波除噪處理，可以得到更好的結(jié)果。 |
