多MEMS傳感器的嵌入式姿態(tài)測量系統(tǒng)設(shè)計

陳新雋，劉曉平，戴若犁，劉昊揚

（1.北京郵電大學 自動化學院，北京 100876；2.北京梅泰諾通信技術(shù)股份有限公司）

陳新雋（碩士研究生），主要研究方向為嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計；劉曉平（教授），主要研究方向為測控技術(shù)與故障診斷、智能控制技術(shù)；戴若犁（博士），研究方向為基于智能材料、機電一體化及傳感器技術(shù)的振動控制；劉昊揚（博士），主要研究方向為結(jié)構(gòu)動力分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用。

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［1］。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(yīng)用于姿態(tài)測量應(yīng)用中。并且，隨著MEMS技術(shù)的迅速發(fā)展以及向各個學科領(lǐng)域的滲透，它的各方面性能如精度、魯棒性、動態(tài)響應(yīng)等都得到了巨大的提高［2］。

隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，以應(yīng)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(yīng)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(yīng)用需求，給消費電子領(lǐng)域帶來了巨大進步，如智能手機中的重力感應(yīng)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(lǐng)域帶來了十分廣闊的應(yīng)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

圖1 嵌入式姿態(tài)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

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［3］。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1.8～3.6V，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(shù)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、3mm×5mm×1mm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(shè)備的應(yīng)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(shù)，由霍尼韋爾高精度的HMC118X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。2.16～3.3V的低電壓供電、0.66mA 電流功耗，以及3mm×3mm×0.9mm的小體積，在消費電子設(shè)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(shù)，如電池壽命、延長技術(shù)、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(yīng)用。

2 應(yīng)用電路設(shè)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(shè)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3.3V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(guān)，但當C1為470nF時，C2一般為2.2μF。D1為電源的指示燈。

圖2 電源穩(wěn)壓電路原理圖

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(shè)置預(yù)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(shè)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(shè)定的幾個通道連續(xù)轉(zhuǎn)換，并把轉(zhuǎn)換結(jié)果存入響應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器中［4］，而不用程序循環(huán)實現(xiàn)。這樣既簡化了程序設(shè)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(shè)置3個引腳，它們分別連接到 MC9S08QE8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(yīng)的工作模式進行改變則須改變對應(yīng)MC9S08QE8 I／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(yīng)通道。設(shè)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(yīng)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(yīng)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。

圖3 陀螺儀與單片機ADC模塊的接口

2.3 加速度計、電子羅盤與I 2C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100 kbps的速度。系統(tǒng)中，加速度計、電子羅盤芯片與MC9S08QE8I2C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。

圖4 加速度計、電子羅盤與MC9S08QE8I2 C模塊的接口

3 軟件設(shè)計與測試

系統(tǒng)的軟件設(shè)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(shè)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(shè)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。

圖5 嵌入式姿態(tài)測量系統(tǒng)軟件流程

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(shè)定

各種MEMS傳感器工作模式的設(shè)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(shè)定。加速度計ADXL345豐富的功能是通過配置對應(yīng)的寄存器來實現(xiàn)的，通過對應(yīng)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(shè)定供電模式，與BW＿RATE寄存器配合，可設(shè)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(shè)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(shè)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［5］。

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(shè)定數(shù)據(jù)傳輸速率和測量模式，寄存器B用來設(shè)置設(shè)備的增益大小，而通過模式寄存器用來設(shè)置設(shè)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 and Paul Bizard的DCM［6］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。

圖6 DCM算法框圖

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(yīng)3部分的效果，可以說明本設(shè)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。

圖7 上位機演示效果

結(jié) 語

當前，各種消費電子設(shè)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(shè)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(yīng)用范圍，也延伸了姿態(tài)測量系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。實驗演示表明系統(tǒng)性能和使用性都比較好，可以應(yīng)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(yīng)用中。

［1］付旭，周兆英，熊沈蜀，等.基于EKF的多 MEMS傳感器姿態(tài)測量系統(tǒng)［J］.清華大學學報：自然科學版，2006，46（11）：1857－1859.

［2］Di Li，Landry R，Lavoie P.Low－cost MEMS sensor－based attitude determination system by integration of magnetome－ters and GPS：A real－data test and performance evaluation［C］／／Proceedings of IEEE／ION Plans 2008，Monterey，2008：1990－1998.

［3］ST.LY530AL Datasheet［OL］.［2011－06］.http：／／www.st.com.

［4］李剛，陳世利，周鑫玲，等.飛思卡爾8位單片機實用教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［5］袁西，陳棟，田湘，等.三軸數(shù)字加速度計ADXL345及其在捷聯(lián)慣導中的應(yīng)用［J］.電子設(shè)計工程，2010（3）：138－140.

［6］William Premerlani，Paul Bizard.Direction Cosine Matrix IMU：Theory ［EB／OL］. ［2011－06］.http：／／gentlenav.googlecode.com／files／MahonyPapers.zip.