基于ADIS16365的慣性傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

　　在慣性系統(tǒng)的應(yīng)用中，不僅要求數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確可靠，而且普通的微控制器由于處理速度限制，而很難處理如此大的數(shù)據(jù)量，采用高性能DSP無(wú)疑增加了成本。為此，設(shè)計(jì)了以LM3S8962為核心處理器，以ADIS16365為慣性傳感器的慣性系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用ADIS16365自身的數(shù)據(jù)處理功能對(duì)三軸角速度和角加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在外部再經(jīng)過(guò)濾波與積分，得到了精確的角度信號(hào)，滿足了系統(tǒng)的可靠性和?？刂埔?。此外，面對(duì)系統(tǒng)對(duì)慣性數(shù)據(jù)需求量的增多，將該慣性系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于整個(gè)系統(tǒng)。

　　1 ADIS16365概述

　　ADIS16365是ADI公司于2008年9月推出的一款全新的數(shù)字輸出的高性能微慣性測(cè)量系統(tǒng)。這款傳感器結(jié)合了ADI公司的iMEMS和混合信號(hào)處理技術(shù)，提供校準(zhǔn)的數(shù)字慣性檢測(cè)。系統(tǒng)除分別提供3個(gè)軸方向上的角速度、角加速度以外，還包括自動(dòng)偏置校準(zhǔn)、數(shù)字濾波與采樣速率、自檢、電源管理、條件監(jiān)控、模數(shù)轉(zhuǎn)換，以及輔助數(shù)字輸入／輸出，這些功能都通過(guò)快速的數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口（SPI）與MCU進(jìn)行交互，提供方便的數(shù)據(jù)和配置控制。ADIS16365的一些性能參數(shù)如下：角度分辨率為±80（°）／s；典型帶寬為0.33 kHz；線性加速度補(bǔ)償因子為0.05（°）／s／g；運(yùn)動(dòng)偏移穩(wěn)定性為0.009（°）／s。

　　2 慣性測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 總體設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)硬件主要包括ADIS16365，CTM8251，LM3S8962。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

　　LM3S8962是TI公司一款用于工業(yè)控制的32位高速控制器，內(nèi)部集成了工業(yè)控制用到的各種常用協(xié)議，其中CAN模塊支持CAN 2.0B協(xié)議，位速率高達(dá)1 Mb／s，具有可編程FIFO模式，使實(shí)時(shí)應(yīng)用成為可能。此外，其內(nèi)部擁有256 KB的單周期FLASH，可用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，方便外部讀取。CTM8251是一款帶隔離的通用CAN收發(fā)器模塊，該模塊內(nèi)部集成了所有必須的CAN隔離及CAN收、發(fā)器件。模塊的主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平并且具有DC 2 500 V的隔離功能。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　陀螺儀硬件電路原理圖如圖2所示，選用LM3S8962自帶的SPI硬件接口對(duì)ADIS16365進(jìn)行操作，在電路設(shè)計(jì)中只需要直接將LM3S8962的SPI硬件I／O接口與ADIS16365相應(yīng)的接口連接起來(lái)。
 

　　CAN接口原理圖如圖3所示，LM3S8962對(duì)應(yīng)的CAN接口分別為PD0和PD1，將其與CTM8251進(jìn)行電氣連接，通過(guò)對(duì)CTM8251進(jìn)行相應(yīng)的電路配置，并且在信號(hào)輸出端做好相應(yīng)的屏蔽工作以防止噪聲干擾傳輸和靜電帶來(lái)的不安全因素，最后將CTM8251輸出的高、低端分別與器件相應(yīng)引腳連接。

3 慣性測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 總體設(shè)計(jì)

　　微控制器直接控制慣性傳感器的工作狀態(tài)并采集角速度、角加速度等信息，為了達(dá)到處理的實(shí)時(shí)性，當(dāng)ADIS16365有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，中斷通知微控制器進(jìn)行讀取。微控制器將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行積分及濾波處理，并將處理后的信息存儲(chǔ)在片內(nèi)FLASH中。當(dāng)微控制器接收到數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，通過(guò)CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)。圖4為系統(tǒng)主流程圖。

　　3.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

　　微控制器通過(guò)SPI模式3與慣性傳感器通信，在時(shí)鐘下降沿時(shí)建立數(shù)據(jù)，上升沿時(shí)讀取數(shù)據(jù)。圖5為通信時(shí)序圖。

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　　從圖5可以看出，一個(gè)SPI傳輸包有16位。由于LM3S8962是32位處理器，因此每次可以傳輸一個(gè)SPI傳輸包。傳輸包高字節(jié)包括1位的讀／寫(xiě)狀態(tài)位和7位寄存器地址信息，低字節(jié)為讀／寫(xiě)寄存器數(shù)據(jù)。ADIS16365的內(nèi)部寄存器為16位，拆分為2個(gè)8位，分為高低地址，因此讀／寫(xiě)操作都需要2個(gè)傳輸包。如果是寫(xiě)操作，則第一個(gè)傳輸包的高字節(jié)說(shuō)明寄存器的低8位地址，低字節(jié)為寫(xiě)入寄存器低8位的值，第二個(gè)傳輸包則相應(yīng)地寫(xiě)入寄存器的高8位；如果是讀操作，則第一個(gè)傳輸包的高字節(jié)說(shuō)明寄存器低8位地址，低字節(jié)無(wú)效，寄存器的值出現(xiàn)在第二個(gè)傳輸包。

　　ADIS16365擁有較為完善的數(shù)據(jù)處理方案，經(jīng)測(cè)試，使用其內(nèi)部校正功能可以明顯改善系統(tǒng)性能。根據(jù)寫(xiě)入GLOB_CMD寄存器命令的不同，可以采用不同的處理方法。表1和表2列出了內(nèi)部普通校準(zhǔn)和精確校準(zhǔn)與未校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的比較。

　　3.3 CAN總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　控制器區(qū)域網(wǎng)（CAN）總線屬于現(xiàn)場(chǎng)總線范疇，它是德國(guó)Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車(chē)中眾多測(cè)試與控制儀器的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。經(jīng)過(guò)多年的應(yīng)用發(fā)展，CAN以其極高的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性而廣泛應(yīng)用在各種領(lǐng)域。鑒于此，該系統(tǒng)采用CAN協(xié)議來(lái)完成數(shù)據(jù)的交換。

　　CAN2.0B協(xié)議規(guī)定了4種幀類(lèi)型：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀和過(guò)載幀。其中數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)從發(fā)送器傳輸?shù)浇邮掌鳎h(yuǎn)程幀用于請(qǐng)求具有同一標(biāo)志符的數(shù)據(jù)幀。CAN協(xié)議沒(méi)有規(guī)定地址的概念，所有數(shù)據(jù)傳輸均基于報(bào)文標(biāo)識(shí)符，當(dāng)總線上出現(xiàn)一個(gè)報(bào)文時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)的CAN驗(yàn)收濾波器將該報(bào)文的標(biāo)識(shí)符與自身的驗(yàn)收代碼寄存器和驗(yàn)收屏蔽寄存器比較，來(lái)決定是否接收該報(bào)文。因此，該系統(tǒng)將慣性傳感器數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)為“GY-Rn”，其中n為接收端編號(hào)，對(duì)于擴(kuò)展幀的29位標(biāo)識(shí)符而言，除去前綴“GYR”24位外，最多可以有32個(gè)接收端，滿足一般系統(tǒng)需求。為使LM3S8962的CAN模塊能響應(yīng)所有數(shù)據(jù)請(qǐng)求，只需將驗(yàn)收屏蔽寄存器的后5位置1即可。當(dāng)接收端n需要數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送標(biāo)識(shí)符為“GYRn”的遠(yuǎn)程幀，LM3S896 2的CAN模塊在接收到之后從內(nèi)部FLASH中讀取數(shù)據(jù)，再回發(fā)相同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀完成通信。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　這里所設(shè)計(jì)的慣性系統(tǒng)主要采用MEMS器件ADIS16365，測(cè)量目標(biāo)的三種角速度。采用含CAN控制器的LM3S8962微控制器進(jìn)行控制，只需很少的外圍器件即獲得了優(yōu)異的性能。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，使用方便，具備較強(qiáng)的使用性。