基于AT89S52的MEMS陀螺信號采集與處理系統(tǒng)設(shè)計*

闞如文 ，王芳榮 ，董緒斌 ，劉順安 ，尚 濤

（1.吉林大學(xué) 控制科學(xué)與工程系，吉林 長春130025；2.吉林大學(xué) 機械工程學(xué)院，吉林 長春130025）

MEMS(Micro Electron Mechanical System)陀螺儀是一種可以精確測量物體方位的儀器，不僅成本低，體積小，重量輕，而且可以與微電子加工的電路實現(xiàn)集成，做到機電一體化。MEMS陀螺適用于汽車工業(yè)、慣性導(dǎo)航、計算機、機器人、軍事等急需大量小型、廉價陀螺的應(yīng)用領(lǐng)域，是國防、工業(yè)發(fā)展中必不可少的儀器。

但是，MEMS陀螺儀在實際應(yīng)用中達不到需要的精度，為了提高陀螺儀系統(tǒng)工作性能和測量精度，對陀螺儀進行數(shù)據(jù)采集并減小誤差是至關(guān)重要的。

ADIS16355慣性測量裝置將三軸角速度感知與三軸加速度感知相結(jié)合，提供六自由度運動感知、嵌入式校準與傳感器處理以及傳感器-傳感器交叉補償，并大大提高信號穩(wěn)定性(使用偏移穩(wěn)定性為 0.015 deg/sec），體積小于1立方英寸。ADIS16355是在整個溫度范圍內(nèi)校準，具有卓越的偏壓溫度穩(wěn)定性(0.005 deg/sec/°)。ADISl6355提供一個串行外部接口SPI(Serial Peripheral Interface)，通過SPI可以對芯片進行配置，獲得運行狀態(tài)與測量結(jié)果等，其對外部供電要求不高，內(nèi)部自帶高精度的穩(wěn)壓電路，外圍電路較少[1]。

AT89S52單片機[2]是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲器，使用美國ATMEL公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，同時，AT89S52帶有ISP下載功能，它利用在線編程器替代昂貴的單片機仿真器編程器，既方便使用，又節(jié)省開發(fā)費用。

本文結(jié)合單片機對ADIS16355慣性傳感器進行控制，將采集的數(shù)據(jù)實時存儲并通過LCD1602進行顯示，最后對系統(tǒng)進行測試，并分析了系統(tǒng)存在的誤差。

1 ADIS16355芯片數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)計

根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需要，系統(tǒng)以AT89S52作為主控單元，外擴一片6264靜態(tài)存儲器作為數(shù)據(jù)存儲器，并設(shè)計 AT89S52與 ADIS16355通信的 SPI接口模塊、LCD顯示模塊、鍵控模塊和在線編程模塊，系統(tǒng)硬件連接框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

1.1主控模塊

控制單片機 AT89S52具有 8 KB Flash，256 B RAM，32 bit的I/O口線，看門狗定時器，兩個數(shù)據(jù)指針，3個16 bit定時器/計數(shù)器，一個六向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路等功能[3]。它與ADIS16355陀螺儀之間通過SPI接口相連。因為AT89S52單片機沒有專門的SPI接口，只能通過軟件模擬P2.0口為時鐘信號線與陀螺儀的SPI接口SCLK引腳相連，P2.1口為主輸出從輸入MOSI與陀螺儀SPI接口的數(shù)據(jù)輸人SDI引腳相連，P2.2口為主輸入從輸出MISO與陀螺儀SPI接口的數(shù)據(jù)輸出SDO引腳相連，P2.3口為片選信號。P3.2、P3.3為中斷引腳，分別與 ADIS16355的 DIO1和DIO2相連，為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中斷。

1.2 LCD顯示模塊

系統(tǒng)顯示部分采用液晶LCD1602芯片，其特點是：功耗低、體積小、質(zhì)量輕、顯示質(zhì)量高、數(shù)字式，采用標準的16腳接口和單片機連接簡單，操作方便，能夠同時顯示16×2即 32個字符，1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)存儲了160個不同的點陣字符圖形，方便顯示控制器采集出的數(shù)據(jù)。

1.3在線編程模塊

系統(tǒng)設(shè)計了在線編程模塊，利用STC-ISP編程燒錄軟件實時在線下載程序，大大方便了開發(fā)者，提高了系統(tǒng)研發(fā)效率。

1.4 SPI接口模塊通信與配置

SPI是MOTOROLA公司提出的同步串行總線方式，是一種全雙工、同步、串行數(shù)據(jù)接口標準總線，與其他串行總線相比，它具有電路結(jié)構(gòu)簡單、速度快、通信可靠等優(yōu)點[4]。標準的 SPI總線由4根信號線組成：時鐘信號(SCLK)、主輸入從輸出線(SDI)、主輸出從輸入線(SDO)和片選信號(CS)。

系統(tǒng)中ADIS16355通過SPI接口與外部進行通信，需要外部設(shè)備MCU通過該接口對其內(nèi)部各寄存器進行設(shè)置，圖2所示是一個典型的寫入控制寄存器命令的數(shù)據(jù)幀。由芯片資料[5]可知，DIN系列的首位是 1，第二位是0，后面是目標寄存器的 6 bit地址和 8 bit數(shù)據(jù)命令，因為每一個寫命令包含一個數(shù)據(jù)位，所以給整個16 bit寄存器空間寫值時要求有兩個數(shù)據(jù)幀。圖3為ADIS16355讀操作 SPI時序圖，由芯片資料[5]可知 ADIS16355完成一次SPI通信包括16 bit數(shù)據(jù)，其中第1位是SPI傳輸?shù)淖x寫狀態(tài)標識，第 2位為0，緊跟著的 6 bit是目標寄存器地址，最后8 bit是在寫操作時將要寫進寄存器的數(shù)據(jù)，如果是讀操作則忽略，完成ADIS16355的一個讀操作需要進行兩次16 bit的SPI通信，其中第一次是寫入將要讀取的寄存器地址，該寄存器的內(nèi)容將在第二次SPI通信出現(xiàn)在ADIS16355的DOUT信號線上，輸入SPI的主設(shè)備。

本設(shè)計中控制器與ADIS16355進行SPI通信的每個數(shù)據(jù)幀為 16 bit，而 AT89S52的數(shù)據(jù)寬度為 8 bit，所有內(nèi)部寄存器和數(shù)據(jù)空間存儲器都是8 bit寬度組成，作為主設(shè)備在其發(fā)出有效的SPI片選信號使能ADISl6355后，要對其自身的SPI數(shù)據(jù)寄存器進行兩次寫操作，才能在總線上完成一次16 bit數(shù)據(jù)傳輸。

2軟件設(shè)計

ADISl6255陀螺儀所有的數(shù)據(jù)和命令的讀取和寫入都是通過讀寫寄存器來完成的。通過AT89S52單片機編寫程序讀取ADISl6355內(nèi)部相應(yīng)的寄存器地址，相應(yīng)讀取回來的12 bit或者14 bit長度的數(shù)據(jù)經(jīng)過換算再乘以對應(yīng)的比例因子就得到了相應(yīng)的 x、y、z軸陀螺儀和加速度計以及內(nèi)部溫度信息。

在啟動陀螺儀前，首先要對陀螺儀的各個寄存器進行正確的設(shè)置。由參考文獻[5]、[6]知，設(shè)置 GYRO_OFF和GYRO_SCALE寄存器對陀螺儀三軸輸出的靈敏度和偏差進行用戶自校準；設(shè)置SMPL_PRD寄存器，選取合適的采樣頻率；設(shè)置SENS/AVG寄存器，定義陀螺動態(tài)量程以及對應(yīng)的數(shù)字濾波器；設(shè)置MSC_CTRL寄存器，定義自檢位以及數(shù)據(jù)更新中斷位；設(shè)置COMMAND寄存器，定義數(shù)據(jù)校正模式；設(shè)置ALM_CTRL寄存器，為數(shù)據(jù)報警。

陀螺儀自身帶有一個校準控制指令，在讀取數(shù)據(jù)之前需要用戶的自定義校準，具體操作方法[6]是將MSC_CTRL寄存器的第 10位置 1，20 ms后，讀取狀態(tài)寄存器的值，如果為0x0000，表明自檢通過，否則表明陀螺儀存在如供電超限、SPI通信錯誤等問題，響應(yīng)的錯誤位將在狀態(tài)寄存器中標出。

MEMS陀螺儀數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計主要是對AT89S52的程序設(shè)計。系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先完成單片機初始化，對陀螺儀各個自由度寄存器參數(shù)設(shè)置，初始化LCD1602，初始化SPI接口，陀螺儀自校準過程，定時器和相應(yīng)中斷打開，數(shù)據(jù)存儲及更新，最后通過按鍵分別顯示X、Y、Z軸陀螺儀和加速度計以及內(nèi)部溫度信息。系統(tǒng)軟件程 序 采 用 Keil μVision4 軟 件 編 寫 ，Keil μVision4 是 基 于80C51內(nèi)核開發(fā)的，可以用C語言和匯編語言進行編程，C編譯工具在產(chǎn)生代碼的準確性和效率方面達到了較高的水平，并且可以附加靈活的控制選項，在開發(fā)大型項目時非常實用[7]。其軟件程序流程圖如圖4所示。

3測試結(jié)果

完成硬件平臺搭建和軟件程序設(shè)計后，室溫下對系統(tǒng)進行靜態(tài)測量，通過改變溫度，分析角度的漂移；在小型旋轉(zhuǎn)平面上進行動態(tài)測試，分析線性加速度的變化，針對過大的漂移率現(xiàn)象，進行自校準，再測量。

靜態(tài)測試，在室溫下，由液晶屏顯示輸出溫度為+21.36℃，輸出角度有不超過0.02°/s的漂移率。當把陀螺儀溫度提高到50℃時，顯示溫度為+50.07℃，陀螺角度出現(xiàn)單向漂移現(xiàn)象，輸出角度大約為0.72°/min漂移率。經(jīng)過軟件自校準后，角度漂移較穩(wěn)定變化，單漂移現(xiàn)象消除。

動態(tài)測試，對三軸加速度計的測試采用重力場1 gn試驗方法[8]，安裝方法如圖 5所示，將加速度計通過卡具安裝在位置轉(zhuǎn)臺上，使加速度計的輸入軸在鉛垂平面內(nèi)相對重力加速度轉(zhuǎn)動。

使位置轉(zhuǎn)臺在 360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，由圖 5可知，敏感軸上的加速度分量為[9]：

式中a為敏感軸上的加速度；θ為加速度計敏感軸與水平方向間的夾角。由式(1)可知，當位置轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動時，加速度計敏感軸上的重力加速度分量呈正弦關(guān)系變化，加速度計的輸出也呈正弦關(guān)系變化。在知道敏感軸與水平方向的夾角后，就可以計算出加速度計所感應(yīng)到的加速度大小[8]。

測試采取十二位置測試方法，即每間隔30°測量一次，首先需要確定機械零點，即試驗前要確保初始狀態(tài)的敏感軸與水平方向間夾角為0°，確定機械零位一般采用四點法[9]，測量當?shù)刂亓铀俣萭n（如長春重力加速度為9.801 m/s2）,由公式(1)可以計算出十二位置點的重力加速度分量值，選取部分測試點與本系統(tǒng)顯示的加速度值對比，分析絕對誤差如表1所示。

由表1知，在常溫下測量的ADIS16355加速度計系統(tǒng)顯示的值與理論值絕對誤差在轉(zhuǎn)臺限定的誤差范圍之內(nèi)，并且滿足ADIS16355線性加速度精度誤差為2.522 mg/LSB(約為 0.024 7 m/s2)的要求，加上溫度補償可以進一步提高測量精度。

表1 試驗數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)對比

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要存在以下誤差：一方面是由陀螺儀自身出廠工藝缺陷、結(jié)構(gòu)、工作模式等形成的各種漂移；另一方面是由重力場、磁場、檢測電路干擾、系統(tǒng)安裝不平衡引起的陀螺輸出偏差。對于以上誤差中確定性誤差可以采用標定測試、自檢校準和溫度補償來減小，對于不確定性誤差采用統(tǒng)計方法統(tǒng)計變化規(guī)律和有效系統(tǒng)辨識方法來處理。

ADIS16355 iSensor是一款完整的三軸陀螺儀與三軸加速計慣性檢測系統(tǒng)。本文以AT89S52單片機為核心控制器件，只需要很少的外圍電路，采用KeilC51軟件編寫程序，實時存儲采集的數(shù)據(jù)并經(jīng)LCD顯示，通過靜態(tài)溫度和角度測試及重力加速度試驗測試表明，該系統(tǒng)具有較高的精度和實時性。最后對系統(tǒng)存在的誤差進行分析。本文設(shè)計的MEMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有精度高、成本低、操作簡單、使用方便，在陀螺儀的實際應(yīng)用中存在較大的市場價值。

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[5]Programmable low power gyroscope，ADISl6355 datasheet.ANALOG DEVICES.2007，[2011-01-06].http：//www.analog.com/pr/ADIS16355.

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