一種基于多種MEMS傳感器的嵌入式姿態(tài)測量系統(tǒng)設計詳解

引言

傳統(tǒng)的姿態(tài)測量因為采用高精度陀螺儀和加速度計等姿態(tài)傳感器，體積龐大并且價格昂貴。當前MEMS產(chǎn)品因其體積小、價格低、功耗低，被稱為是傳統(tǒng)的慣性測量組合的一次重大改革，越來越多地應用于姿態(tài)測量應用中。并且，隨著MEMS技術的迅速發(fā)展以及向各個學科領域的滲透，它的各方面性能如精度、魯棒性、動態(tài)響應等都得到了巨大的提高。

隨著嵌入式技術的不斷發(fā)展，以應用為中心的嵌入式系統(tǒng)由于體積小、功耗低、可靠性高、可裁減性好、軟硬件集成度高，已經(jīng)滲入到我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€方面，在各行各業(yè)中都得到了應用。而嵌入式與MEMS的結(jié)合使姿態(tài)測量系統(tǒng)滿足了低成本、低功耗、微型化的應用需求，給消費電子領域帶來了巨大進步，如智能手機中的重力感應與指南針，同時給航空、工業(yè)、汽車、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)控、通信等領域帶來了十分廣闊的應用前景。

本文采用三軸MEMS陀螺儀、三軸MEMS加速度計及三軸MEMS電子羅盤與Freescale單片機MC9S08QE8組成一個嵌入式姿態(tài)測量系統(tǒng)。陀螺儀由于動態(tài)性能好，用于獲取實時姿態(tài)信息。但陀螺儀因為會產(chǎn)生偏移，而加速度計與電子羅盤因其靜態(tài)性能比較優(yōu)越，所以用來對陀螺儀姿態(tài)計算過程中的誤差進行修正。

1 系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由單軸陀螺儀LY530AL、雙軸陀螺儀LPR530AL、三軸MEMS加速度計ADXL345、三軸MEMS電子羅盤HMC5843及單片機MC9S08QE8組成。其中X、Y方向的雙軸陀螺儀與Z軸方向的單軸陀螺儀組合成三軸陀螺儀，它們的信號由單片機MC9S08QE8的ADC模塊進行采集，而加速度信號和電子羅盤信號則通過I2C總線傳送到單片機。這9路信號在單片機中首先經(jīng)過前期的處理，而后由單片機中的姿態(tài)計算算法程序獲取3個姿態(tài)角信息，這3個信息通過單片機MC9S08QE8的串口模塊傳送到上位機進行演示，嵌入式姿態(tài)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1．1 三軸MEMS陀螺儀

系統(tǒng)中三軸MEMS陀螺儀由ST公司的單軸Z方向的陀螺儀LY530AL和雙軸X、Y方向的陀螺儀LPR530AL組合而成。它們采用電容式微機械陀螺儀原理，由于ST公司選用了音叉方法，并且振動驅(qū)動電路采用了雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，顯著地提高了陀螺儀的穩(wěn)定性和分辨率。測量范圍達±300°／s，擁有自測功能，輸出端集成了低通濾波電路，工作電壓為1．8～3．6 V，待機模式電流小于1μA。

1．2 三軸MEMS加速度計

系統(tǒng)中三軸MEMS加速度計選用ADI公司的ADXL345。ADXL345是基于iMEMS技術的三軸、數(shù)字輸出加速度傳感器，具有±2g、±4g、±8g、±16g可變的測量范圍。芯片內(nèi)帶的32級FIFO存儲可以緩存數(shù)據(jù)，從而減輕處理器的負擔并降低了系統(tǒng)功耗。ADXL345具有較高的分辨率與靈敏度、3 mm×5 mm×1 mm超小封裝、40～145μA超低功耗及標準的I2C或SPI數(shù)字接口，非常適合于移動設備的應用。

1．3 三軸MEMS電子羅盤

系統(tǒng)中的三軸MEMS電子羅盤采用霍尼韋爾公司的HMC5843，它采用霍尼韋爾公司的各向異性磁阻（AMR）技術，由霍尼韋爾高精度的HMC11 8X系列磁阻傳感器組成，在低強度磁場傳感器中具有較高的靈敏度和可靠性。2．16～3．3 V的低電壓供電、0．66 mA電流功耗，以及3mm×3 mm×0．9 mm的小體積，在消費電子設備、導航系統(tǒng)中擁有明顯的優(yōu)越性。

1．4 單片機MC9S08QE8

系統(tǒng)中單片機采用Freescale公司的MC9S08QE8。MC9S08QE8采用了眾多新技術，如電池壽命、延長技術、增強型的低功耗性能以及超低電壓下的高級運行能力等。同時具有極高的集成度，集成了很多系統(tǒng)級功能，如12位高精度A／D轉(zhuǎn)換器、定時器、SPI、I2C、SCI等常用模塊，非常適合低功耗、低成本的應用。

2 應用電路設計

2．1 電源模塊

本系統(tǒng)的電源穩(wěn)壓電路為整個系統(tǒng)所有設備供電，考慮到系統(tǒng)中涉及數(shù)字型和模擬型傳感器，采用了低噪音、低漂移、供電電壓為3．3 V的線性穩(wěn)壓芯片MIC5205。電源穩(wěn)壓電路原理圖如圖2所示。其中，C1是連接芯片內(nèi)部電壓參考源與GND的電容，用來減少輸出電壓的噪音，而C2作為輸出與GND的電容，用來防止電路產(chǎn)生振蕩。C2的電容大小與C1有關，但當C1為470 nF時，C2一般為2．2μF。D1為電源的指示燈。

2．2 陀螺儀與ADC模塊

MC9S08QE8單片機內(nèi)帶的ADC模塊是基于逐次逼近型12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它提供10個輸入通道，可以配置采用時間轉(zhuǎn)換速度及功耗，可以設置預置比較，從而保證某些不符合要求的數(shù)據(jù)不用保存。其中最能體現(xiàn)高性能特點的是可以設置連續(xù)序列轉(zhuǎn)換方式，這種模式下，ADC硬件可自動實現(xiàn)所設定的幾個通道連續(xù)轉(zhuǎn)換，并把轉(zhuǎn)換結(jié)果存入響應的數(shù)據(jù)寄存器中，而不用程序循環(huán)實現(xiàn)。這樣既簡化了程序設計，又降低了轉(zhuǎn)換功耗，減輕了MC9S08QE8的負擔。

陀螺儀與單片機ADC模塊的接口如圖3所示。圖中ST、HP、PD作為自我測試、能量控制、高通濾波設置3個引腳，它們分別連接到MC9S08 QE8的通用I／O接口上。一般它們都接下拉電阻，默認為正常工作模式，如果需要對相應的工作模式進行改變則須改變對應MC9S08QE8I／O口的電平為高電平。而LY530AL與LPR530AL的輸出信號（4xOTUX、4xOTUY、4xOTUZ引腳）與輸出參考電壓（Vref引腳）分別接MC9S08QE8的ADC模塊的相應通道。設計中特別注意的是，LPR530AL有2種輸出模式：一種是采用經(jīng)過內(nèi)部放大4倍后的輸出，另一種是正常的輸出。當采用非線性放大輸出方式時，應當把LPR530AL的5引腳和9引腳連接GND；如果采用放大輸出方式并且外部沒有擴展旁路濾波，則應當分別把4和5引腳、9和10引腳短接。圖3中，LY530AL工作原理與LPR530AL相似。

2．3 加速度計、電子羅盤與I2C接口

MC9S08QE8內(nèi)帶的高速I2C模塊擁有多主機操作、可編程從機地址、中斷驅(qū)動的逐字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送、支持廣播模式和10位尋址等特點，總線在最大負荷下可達到100kbps的速度。系統(tǒng)中，加速度計、電子羅盤芯片與MC9S08QE8 I2C模塊的接口如圖4所示。圖中ADXL345的CS引腳用來控制選擇I2C還是SPI通信協(xié)議，電平為高表示采用I2C協(xié)議，而SDA和SCL引腳分別連接到MC9S08QE8的I2C總線引腳上。電子羅盤HMC5843支持雙電壓工作，其中引腳VDD表示內(nèi)核電壓，引腳VDDIO表示外部I／O電壓，本系統(tǒng)中采用單電壓模式，即內(nèi)核電壓與外部I／O電壓相同。

3 軟件設計與測試

系統(tǒng)的軟件設計是整個系統(tǒng)的重要組成部分。依據(jù)上述硬件電路的設計原理與功能要求，軟件中首先要完成MC9S08QE8的初始化，對各種MEMS傳感器的工作模式進行設定；然后獲取三軸陀螺儀、加速度計、電子羅盤的實時信號，并根據(jù)姿態(tài)計算算法計算姿態(tài)角，最終把姿態(tài)角信息通過串口傳送到上位機中進行測試與演示，嵌入式姿態(tài)測量系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

3．1 MC9S08QE8的初始化

MC9S08QE8的初始化函數(shù)主要實現(xiàn)對系統(tǒng)時鐘、端口及各個使用的功能模塊進行初始化，如ADC模塊、SCI模塊、I2C模塊。初始化函數(shù)Sys_init_fun（void）如下：

3．2 傳感器工作模式的設定

各種MEMS傳感器工作模式的設定中，陀螺儀涉及的均為模擬信號，不用對其具體工作模式進行設定。加速度計ADXL345豐富的功能是通過配置對應的寄存器來實現(xiàn)的，通過對應的寄存器可以選擇數(shù)據(jù)格式、FIFO工作模式、數(shù)字通信模式、節(jié)電模式、中斷使能以及修正各軸偏差等。POWER_CTL寄存器用來設定供電模式，與BW_RATE寄存器配合，可設定數(shù)據(jù)傳輸速率，如果要進一步降低功耗，可將BW_RATE寄存器中的LOW_POWER位置位，進入低功耗模式。而DATA_FORMAT寄存器用來設定數(shù)據(jù)格式與加速度計的量程，F(xiàn)IFO_CTL寄存器用來設置緩存器具體的工作模式，如Bypass、FIFO、Stream、Trigger。最后OFSX、OFSY、OFSZ三個用來存放初始化時標定的X、Y、Z軸的偏移量，以便對數(shù)據(jù)進行

修正。

電子羅盤HMC5843配置相對簡單，主要有3個寄存器，通過配置寄存器A可以設定數(shù)據(jù)傳輸速率和測量模式，寄存器B用來設置設備的增益大小，而通過模式寄存器用來設置設備的工作模式。

3．3 姿態(tài)計算

典型的姿態(tài)解算方法有方向余弦矩陣求解法、四元數(shù)法、旋轉(zhuǎn)矢量法等，本系統(tǒng)采用William Premerlani andPaul Bizard的DCM算法，DCM算法框圖如圖6所示。三軸陀螺儀的輸入信號通過運動學方程計算出方向余弦矩陣，三軸加速度計信號與三軸電子羅盤信號結(jié)合PI反饋控制對陀螺儀信號進行修正。

其中算法由kinematics_and_normalization（t_vector*gyro，t_matrix*dcm）函數(shù)實現(xiàn)：

上述計算得到的實時姿態(tài)角數(shù)據(jù)通過串口傳送到上位機，上位機中通過編寫的python演示程序?qū)ο挛粰C姿態(tài)測量模塊的運動姿態(tài)進行跟蹤與顯示，演示效果如圖7所示。每幅圖中包含3個部分：第1部分（左上角）中紅、綠、藍3種指針指向分別代表橫滾角（roll）、俯仰角（pitch）與航向角（yaw）的大小，第2部分（左下角）顯示模塊實時運動姿態(tài)，第3部分（右邊）用于顯示姿態(tài)角信息。左圖為物體靜止不動下的演示效果，右圖表示在運動過程中物體的姿態(tài)運動效果，通過對比與分析2個圖及各圖對應3部分的效果，可以說明本設計達到了良好的效果，能比較正確地測量物體的姿態(tài)信息。

結(jié)語

當前，各種消費電子設備內(nèi)部一般含有三軸加速度計和電子羅盤，如智能手機、平板電腦等，但加速度計動態(tài)性能相比陀螺儀遜色很多，而陀螺儀的增加可以提升系統(tǒng)整體的動態(tài)與靜態(tài)性能。本文設計的嵌入式姿態(tài)測量系統(tǒng)，采用多MEMS傳感器組合方式，拓展了MEMS傳感器的應用范圍，也延伸了姿態(tài)測量系統(tǒng)的應用領域。實驗演示表明系統(tǒng)性能和使用性都比較好，可以應用于消費電子與一般工業(yè)的姿態(tài)測量與物體穩(wěn)定控制的應用中。