MEMS三維角度傳感器設(shè)計(jì)研究

0 引言

隨著納米技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS，Micro Electm Mechanical svstems）技術(shù)的應(yīng)用，傳感器的尺寸不斷減小、精度不斷提高。此類傳感器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)一般在微米納米量級(jí)，基于了微機(jī)械微電子技術(shù)多學(xué)科交叉的高尖端技術(shù)，是一種與外界獨(dú)立的智能的高科技系統(tǒng)，由光刻和腐蝕技術(shù)得到，具有體積小、集成度高、智能化程度高等特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)將近四五十年的發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被世界所關(guān)注，主要分為傳感MEMS、生物MEMS和光學(xué)MEMS等，其中傳感MEMS是指利用微機(jī)械微電子技術(shù)加工的系統(tǒng)配合敏感元件集成MEMS傳感器，主要用于敏感光、聲音、氣體、加速度、濕度等物理量；生物MEMS是指利用微機(jī)械微電子技術(shù)生產(chǎn)結(jié)合生物醫(yī)學(xué)技術(shù)制造出微型通道、微型控制閥等微型元件并配合監(jiān)測(cè)芯片組成微型的分析儀，主要實(shí)現(xiàn)微量樣品檢測(cè)、分離、混合等過(guò)程；光學(xué)MEMS主要是綜合光電子技術(shù)、微電子微機(jī)械技術(shù)，集成出的微光機(jī)電系統(tǒng)，主要用于光通訊和顯示投影。MEMS傳感器是采用MEMS技術(shù)的產(chǎn)品中數(shù)量比較龐大的，主要有各種微型的加速度計(jì)、微型機(jī)械陀螺儀、微型氣體檢測(cè)器、微型機(jī)械溫度檢測(cè)器等。其中，微機(jī)械加速度傳感器是繼微機(jī)械壓力傳感器之后隨之被人們成熟運(yùn)用于各種測(cè)試環(huán)境的微機(jī)械傳感器，其與傳統(tǒng)的加速度傳感器相比具有系統(tǒng)功耗比較低、制作價(jià)格比較便宜、高可靠性等特點(diǎn)。微機(jī)械加速度傳感器只需要配合簡(jiǎn)單的外部放大電路即可應(yīng)用于系統(tǒng)中，非常適合用于角度測(cè)試系統(tǒng)的集成，有助于實(shí)現(xiàn)小型化和高精度，且相較于傳統(tǒng)傳感器成本低、體積小、可靠性高，可被廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑行業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化等需要角度測(cè)量的領(lǐng)域。

1 工作原理

多軸加速度傳感器測(cè)量角度即利用多個(gè)MEMS加速度傳感器組成測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)敏感重力加速度在每個(gè)加速度傳感器敏感軸上的分量來(lái)計(jì)算出角度的大小。常見(jiàn)的有雙軸加速度傳感器測(cè)量模型（以下簡(jiǎn)稱“雙軸模型”）及三軸加速度傳感器測(cè)量模型（以下簡(jiǎn)稱“三軸模型”）?！半p軸模型”由兩個(gè)MEMS加速度傳感器組合實(shí)現(xiàn)全范圍角度的測(cè)量，但該模型測(cè)量?jī)A角為二維傾角，具有一定的局限性，即只能實(shí)現(xiàn)俯仰角或者橫滾角其中一個(gè)的測(cè)量，且安裝精準(zhǔn)度要求高，一旦在安裝時(shí)沒(méi)有準(zhǔn)確地將兩個(gè)加速度傳感器敏感軸組成的平面與傾斜角所在的平面重合，便會(huì)引入類似于安裝誤差角的誤差源，直接導(dǎo)致測(cè)量精度下降，為此我們可以采用三軸模型來(lái)解決此問(wèn)題。三軸模型由三個(gè)敏感軸相互正交的MEMS加速度傳感器組成，安裝時(shí)需要將其中Y軸加速度計(jì)敏感軸與Z軸加速度計(jì)敏感軸組成的平面與需要被測(cè)量的傾斜角所在的平面重合，X軸與Y軸組成的平面和X軸與Z軸組成的平面都與傾斜角所在平面相垂直，具體安裝方式如圖1所示。

圖1 三軸加速度傳感器角度模型

由于三軸模型能夠同時(shí)對(duì)俯仰角和滾轉(zhuǎn)角進(jìn)行測(cè)量，所以在實(shí)際角度測(cè)量過(guò)程中，相當(dāng)于在空間上繞三個(gè)加速度傳感器敏感軸組成的坐標(biāo)系原點(diǎn)做了一個(gè)三維的旋轉(zhuǎn)。三軸模型可以根據(jù)歐拉角法的核心思想（一個(gè)坐標(biāo)系可以用另一個(gè)參考坐標(biāo)系的三次空間旋轉(zhuǎn)來(lái)表示）為基礎(chǔ)，其中的參考坐標(biāo)系就是未經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)的放置在水平面上的初始坐標(biāo)系，而放置在被測(cè)物體上的角度測(cè)量系統(tǒng)所在的坐標(biāo)系為經(jīng)過(guò)三維旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)系。如圖1所示，坐標(biāo)系XYZ即為參考坐標(biāo)系，而坐標(biāo)系XYZ為放置在被測(cè)物體上的角度測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)三個(gè)加速度傳感器敏感軸所在的坐標(biāo)系，坐標(biāo)系XYZ可以由坐標(biāo)系XYZ通過(guò)三次空間旋轉(zhuǎn)來(lái)得到，具體步驟表現(xiàn)為：

①首先，將參考坐標(biāo)系繞Z軸旋轉(zhuǎn)δ角，此時(shí)坐標(biāo)系的變換為坐標(biāo)系XYZ→坐標(biāo)系XYZ。

②其次，將參考坐標(biāo)系繞Y軸旋轉(zhuǎn)θ角，此時(shí)坐標(biāo)系的變換為坐標(biāo)系XYZ→坐標(biāo)系XYZ。

③最后，將參考坐標(biāo)系繞X軸旋轉(zhuǎn)φ角，此時(shí)坐標(biāo)系的變換為坐標(biāo)系XYZ→坐標(biāo)系XYZ。

根據(jù)三軸模型的計(jì)算方法，放置在被測(cè)斜面上的坐標(biāo)系可以由初始水平面坐標(biāo)系通過(guò)3次空間旋轉(zhuǎn)來(lái)得到，A、A、A分別為角度測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部的三個(gè)MEMS加速度傳感器敏感到加速度的大小；θ角和φ角分別為角度測(cè)量系統(tǒng)的橫滾角和俯仰角，即是傾斜面的兩個(gè)傾角。三個(gè)正交的MEMS加速度傳感器組成的三軸模型能夠?qū)崿F(xiàn)全范圍角度的測(cè)量，而且能夠減少因角度測(cè)量系統(tǒng)安裝誤差帶來(lái)的影響，所以為了提高測(cè)量精度，本文采用三軸模型設(shè)計(jì)一款MEMS三維角度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)角度的寬范圍、高精度測(cè)量。（圖2）

圖2 俯仰角及滾轉(zhuǎn)角示意圖

2 技術(shù)方案

根據(jù)對(duì)MEMS 三維角度傳感器樣品的分析，確定了自制傳感器的性能指標(biāo)，明確了從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、軟件開(kāi)發(fā)至組裝測(cè)試的研發(fā)流程，具體流程如圖3所示。

圖3 MEMS三維角度傳感器技術(shù)方案

2.1 電路設(shè)計(jì)

2.1.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硬件電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，由電源模塊、傳感器模塊、運(yùn)算處理模塊和數(shù)據(jù)通信模塊組成，主要實(shí)現(xiàn)角度傳感器數(shù)據(jù)的采集、調(diào)用、運(yùn)算和輸出。采集的數(shù)據(jù)通過(guò)信號(hào)調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，同步傳輸給主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合和解算，然后將解算完成的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)字串口傳輸給上位機(jī)進(jìn)行角度的實(shí)時(shí)顯示，外部配套了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件，對(duì)串口數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

圖4 MEMS三維角度傳感器電路結(jié)構(gòu)框圖

2.1.2 核心模塊設(shè)計(jì)

確定核心器件的規(guī)格型號(hào)，逐一完成各個(gè)功能模塊的電路設(shè)計(jì)。三維角度傳感器電路主要由MEMS傳感器SJ901S、運(yùn)算處理器STM32F103C8T6、串口通信模塊MAX3485ESA以及電源模塊等組成。

2.1.2 .1 MEMS傳感器模塊

負(fù)責(zé)角度信號(hào)的采集及信號(hào)調(diào)理等功能。芯片采用國(guó)產(chǎn)維特公司的MEMS三維角度感應(yīng)芯片JY901S，該傳感器有很高的集成度，主要由加速度計(jì)、信號(hào)調(diào)理器和內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換等模塊組成，采用卡爾曼濾波融合算法，具有低噪聲、高耐沖擊性等特點(diǎn)。工作溫度-40~125℃，供電電壓為3.3V，測(cè)量范圍±180℃。傳感器可根據(jù)算法的定義情況（角度解算方法、信號(hào)調(diào)理算法、濾波算法），搭建合理的外圍電路，芯片集成度高，外圍電路簡(jiǎn)單方便。電路原理圖如圖5。

圖5 MEMS角度傳感器電路圖

2.1.2 .2 運(yùn)算處理器模塊

微控制器是信號(hào)運(yùn)算處理的核心部件。主要負(fù)責(zé)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、解算、誤差修正，最終得到高精度的三維角度數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)一部分通過(guò)串口傳輸給上位機(jī)進(jìn)行角度實(shí)時(shí)顯示，另一部分傳輸至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以便隨時(shí)調(diào)用。

該控制器選用意法半導(dǎo)體單片機(jī)芯片STM32F103C8T6。它是一款基于32位Cortex-M3內(nèi)核增強(qiáng)型嵌入式系列CPU，主頻達(dá)到72MHz，全雙工模式下通信速度可達(dá)18MIPS，寬電壓供電范圍，在2.0~3.6V之間，工作溫度-40~105℃，并且具有豐富的外設(shè)，包括看門狗、定時(shí)器、PWM、ADC、DAC、SPI以及USART和方波輸出等。功能全面，內(nèi)嵌416MHz晶體振蕩器，擁有12通道DMA控制器，可完成數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換、角度解算等，且有51個(gè)多功能雙向I/O口，能夠滿足設(shè)計(jì)需要，其電路原理圖如圖6。

圖6 運(yùn)算處理器

2.1.2 .3 數(shù)據(jù)通信模塊

由于485串行通信協(xié)議具有接口簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、可多機(jī)并聯(lián)且傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，故傳感器采用485通信協(xié)議，接口收發(fā)芯片采用MAX3485，該芯片具有低功耗、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，傳輸速率可達(dá)2.5Mbps。電路圖如圖7。

圖7 MAX3485串行通信電路圖

2.1.2 .4 電源模塊設(shè)計(jì)

電源系統(tǒng)包括兩部分，一個(gè)降壓穩(wěn)壓模塊及3.3V電源供電模塊。系統(tǒng)電路使用二級(jí)降壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用分級(jí)式壓降的方式，即通過(guò)轉(zhuǎn)換器將輸入電壓9~35V轉(zhuǎn)換為一個(gè)5V電壓，然后采用另一個(gè)電源模塊將供電電壓5V降為3.3V，為MEMS角度傳感器模塊等功能塊提供穩(wěn)定的電壓。

前置電源轉(zhuǎn)換芯片只需要給后級(jí)轉(zhuǎn)換電路供電，這樣可以減少電源電壓波動(dòng)對(duì)后續(xù)電路的影響。該芯片采用德州儀器生產(chǎn)的低功耗、低壓差的線性穩(wěn)壓器LMR14006YDDCR，休眠模式電流低至28uA，可以將外接的4V~40V電壓穩(wěn)定在5V，電壓輸入端設(shè)計(jì)了二極管和保險(xiǎn)絲，防止電源反接或電流超標(biāo)造成內(nèi)部核心器件的損壞。電路圖如圖8。

圖8 電源36V轉(zhuǎn)5V電路圖

電源轉(zhuǎn)換芯片采用低壓差穩(wěn)壓器MIC5219-3.3BM5，將一級(jí)電壓轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換出的5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V。輸出電壓為3.267~3.333V，電流在900~1500mA，靜態(tài)電流（最大）為10mA，且具有熱過(guò)載保護(hù)和短路保護(hù)功能，在電源的輸入和輸出端分別采用電容濾波，增加電源穩(wěn)定性。電路圖如圖9。

圖9 電源5V轉(zhuǎn)3.3V電路圖

2.2 軟件開(kāi)發(fā)

2.2.1 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)電路原理和產(chǎn)品性能指標(biāo)，對(duì)所需編寫(xiě)的程序進(jìn)行功能模塊分解，確定軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，程序框圖如圖10所示。程序由I/O接口初始化、數(shù)據(jù)采集、MEMS模塊、數(shù)據(jù)處理、串口通信等編寫(xiě)的功能函數(shù)組成，最終可在與上位機(jī)進(jìn)行傳感器角度值實(shí)時(shí)顯示。

圖10 程序框圖

2.2.2 程序編寫(xiě)

完成I/O接口初始化、RS485通信、MEMS模塊驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)接收、角度轉(zhuǎn)換等程序編寫(xiě)及函數(shù)模塊化處理，修正程序編譯中的BUG。配合電路調(diào)試進(jìn)行問(wèn)題反饋實(shí)現(xiàn)所需功能，可通過(guò)上位機(jī)軟件進(jìn)行三軸角度顯示。（圖11）

圖11 部分程序代碼

3 產(chǎn)品測(cè)試

3.1 測(cè)試方法

根據(jù)產(chǎn)品測(cè)試需求，搭建的角度測(cè)試系統(tǒng)，在完成傳感器組裝后進(jìn)行三軸角度檢測(cè)。記錄、處理測(cè)試數(shù)據(jù)，判斷自制MEMS三維角度傳感器是否滿足技術(shù)指標(biāo)要求，具體過(guò)程如圖12所示。

圖12 MEMS三維角度傳感器測(cè)試系統(tǒng)框圖

將待測(cè)MEMS三維角度傳感器安裝到測(cè)試系統(tǒng)上，完成傳感器與上位機(jī)間的電氣連接，包擴(kuò)電源與RS485通信。利用上位機(jī)軟件，驅(qū)動(dòng)控制器控制轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)，測(cè)試傳感器角度范圍是否達(dá)到Y(jié)軸±90°，X軸、Z軸±180°。以轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度為標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量角度范圍不同角度6次，并計(jì)算誤差，判斷傳感器X軸、Y軸精度≤0.05°，Z軸精度≤1°。

3.2 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)試方法對(duì)MEMS三維角度傳感器進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表1及表2所示。分別記錄X/Z軸±180°內(nèi)7個(gè)角度點(diǎn)數(shù)據(jù)（0°、±60°、±120°、±180°）及Y軸±90°內(nèi)7個(gè)角度點(diǎn)數(shù)據(jù)（0°、±30°、±60°、±90°），由比較發(fā)得出該傳感器的角度最大誤差，通過(guò)計(jì)算得到產(chǎn)品精度。最終，傳感器在采用＋24V供電情況下，X軸角度最大誤差為0.044°，Y軸角度最大誤差為0.043°，Z軸角度最大誤差為0.785°。經(jīng)過(guò)計(jì)算X/Y軸精度滿足≤0.05°，Z軸精度滿足≤1°。

表1 X/Z軸檢測(cè)數(shù)據(jù)記錄

表2 Y軸檢測(cè)數(shù)據(jù)記錄

4 結(jié)論

本文中已成功開(kāi)發(fā)出MEMS三維角度傳感器，可快速實(shí)現(xiàn)三軸角度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將角度信號(hào)轉(zhuǎn)化為高精度的數(shù)字信號(hào)，便于智能化應(yīng)用，比傳統(tǒng)的傳感器體積小、重量輕、精度高、適用電壓范圍寬、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、接口簡(jiǎn)單使用方便、應(yīng)用范圍廣、性價(jià)比高等特點(diǎn)?？杀粡V泛應(yīng)用于航空航天、建筑行業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化等需要角度測(cè)量的領(lǐng)域。