ADISl6209 IMU在傾角測(cè)量中的應(yīng)用

O 引言
    傾角傳感器是測(cè)量關(guān)于水平傾斜角的裝置，傾角變化測(cè)量?jī)x器是許多工業(yè)應(yīng)用設(shè)備需要具備的一個(gè)組成部分，包括測(cè)量設(shè)備、衛(wèi)星天線穩(wěn)定系統(tǒng)、工廠機(jī)床、運(yùn)動(dòng)安全監(jiān)視器和汽車輪位對(duì)準(zhǔn)裝置等。準(zhǔn)確地測(cè)量?jī)A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(cè)量?jī)x大多數(shù)體積較大，信號(hào)采集比較慢，測(cè)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。
    ADISl6209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(shí)安裝的校正系數(shù)動(dòng)態(tài)地檢測(cè)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(shí)間、減低成本和復(fù)雜性。
    本文詳細(xì)地介紹ADISl6209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(gè)傾角測(cè)量系統(tǒng)。最后對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析。

1 ADISl6209功能與使用方法
    ADISl6209的是一種高精度、數(shù)字化傾角測(cè)量?jī)x和雙軸加速度測(cè)量?jī)x，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(jiǎn)單，集成方便。一個(gè)簡(jiǎn)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(wèn)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(hào)、診斷錯(cuò)誤標(biāo)志和可編程報(bào)警條件。
    ADISl6209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(cè)量設(shè)備、工廠機(jī)床、機(jī)器人、慣性測(cè)量單元、導(dǎo)航控制等領(lǐng)域。
1．1 ADISl6209的功能
    如圖l所示，分別是ADISl6209的功能圖、安裝示意圖與引腳圖。由圖1(a)可知，ADISl6209主要由兩軸MEMS加速度計(jì)、溫度傳感器、1個(gè)模／數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC)、1個(gè)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(hào)后，信號(hào)調(diào)理并轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后，將得到的數(shù)據(jù)結(jié)果存入輸出寄存器。通過(guò)SPI總線，外部SPI主控器件向ADISl6209發(fā)送控制指令或者讀取。ADISl6209內(nèi)部設(shè)置有控制寄存器，寄存器都有默認(rèn)的值，通過(guò)對(duì)控制寄存器的修改寫(xiě)操作，可以改變采樣頻率，改變平均濾波參數(shù)等多個(gè)方面的控制效果。每個(gè)采樣周期結(jié)束后，傳感器測(cè)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(gè)脈沖，表示一組新的完整的測(cè)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ADISl6209坐標(biāo)朝向圖，傳感器測(cè)量的Ax與Ay兩個(gè)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 ADISl6209使用方法
1．2．1 ADISl6209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(shí)鐘頻率最高可以達(dá)到2．5 MHz。但ADISl6209的采樣頻率對(duì)SPI時(shí)鐘一定的要求：當(dāng)采樣頻率大于等于546 SPS時(shí)，SPI的時(shí)鐘頻率最高可以采用2．5 MHz。當(dāng)采樣頻率小于546 SPS時(shí)，SPI的時(shí)鐘頻率應(yīng)不大于1 MHz，建議采用1 MHz。
1．2．2 ADISl6209數(shù)據(jù)讀寫(xiě)與數(shù)據(jù)處理
    通過(guò)SPI總線，可以對(duì)ADISl6209進(jìn)行讀寫(xiě)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?位的讀寫(xiě)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ADISl6209寫(xiě)控制指令時(shí)，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(xiě)指令就應(yīng)該如下：先寫(xiě)寄存器低地址0x36，數(shù)據(jù)為0x0l，再寫(xiě)高地址0x37，數(shù)據(jù)為0x00，所以指令為0xB6018700。對(duì)其他的控制寄存器的修改也可按照這樣的方式修改。
    讀取ADISl6209輸出的數(shù)據(jù)與寫(xiě)控制指令稍有區(qū)別，讀取每個(gè)寄存器的值要分為2個(gè)16位的時(shí)序。第1個(gè)16位時(shí)序向ADISl6209寫(xiě)入讀取命令和寄存器地址。第2個(gè)16位時(shí)序?qū)?duì)應(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(gè)16位時(shí)序DIN=0x0400，第2個(gè)時(shí)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(shí)讀到的數(shù)據(jù)才是上一個(gè)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(duì)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(gè)值代表的意義可詳見(jiàn)A13ISl6209的數(shù)據(jù)手冊(cè)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(cè)量量的值；DATA_VAL_UE代表寄存器的值；Scale代表寄存器每個(gè)最小單位代表的實(shí)際值；n為對(duì)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(cè)量量的值；Scale為寄存器值最小值代表的最小單位；n為對(duì)應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)位數(shù)。

2 基于Luminary LMS8962與ADISl6209的傾角測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    下面介紹基于Luminary公司的LMS8962與ADISl6209的傾角測(cè)量系統(tǒng)的原理與設(shè)計(jì)。
2．1 傾角測(cè)量原理
    加速度計(jì)是測(cè)量物體所受除萬(wàn)有引力加速度以外的加速度。將ADISl6209靜止放在水平面時(shí)，其受到的是水平面對(duì)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(cè)量中忽略不計(jì)。那么只要使得ADISl6209將一個(gè)加速傳感器的輸出擺置為O時(shí)，也即是將傳感器擺置如圖3(a)所示。或者兩個(gè)加速度計(jì)測(cè)得的矢量和等于水平面對(duì)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(cè)量方式時(shí)，如圖3(b)所示，可知Ay軸測(cè)得的分量為O，Ax軸測(cè)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(cè)量方式時(shí)，Ay軸與水平面的夾角：
   
    當(dāng)使用雙軸測(cè)量方式時(shí)，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(cè)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ADISl6209搭建成傾角測(cè)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ADISl6209組成的傾角測(cè)量系統(tǒng)。LMS8962通過(guò)SSI總線(SSI是串行通信總線，它兼容SPI總線。)與ADISl6209進(jìn)行通信。將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡中，將解算得到的結(jié)果實(shí)時(shí)在LCD上顯示出來(lái)。
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(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)初始化，接下來(lái)向ADISl6209寫(xiě)控制指令，以設(shè)置ADISl6209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(guò)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)到SD卡中并在液晶模塊中顯示出來(lái)。

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ADISl6209與AHRS固定于同一平臺(tái)上，使得ADISl6209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(dòng)，使Ax與Ay軸與水平面成一定的夾角。圖7～圖10是ADISl6209與AHRS輸出的數(shù)據(jù)結(jié)果的對(duì)比，圖中主要看較平穩(wěn)的數(shù)據(jù)部分，數(shù)據(jù)抖動(dòng)部分是因?yàn)樵谇袚Q方向，切換方向時(shí)手對(duì)傳感器有一個(gè)加速度，疊加在原來(lái)靜止?fàn)顟B(tài)下受到的力，此時(shí)測(cè)量到的不能作為準(zhǔn)確的結(jié)果。

4 結(jié)語(yǔ)
    (1)在靜止?fàn)顟B(tài)下，ADISl6209雙軸加速度計(jì)的輸出與AHRS的輸出趨勢(shì)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ADISl6209雙軸測(cè)量方式得到的AX軸、AY軸與水平面的夾角和AHRS測(cè)得的結(jié)果趨勢(shì)吻合，誤差在1°以內(nèi)，在但是ADISl6209有一定的噪聲，如果對(duì)ADISl6209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。