陳新雋，劉曉平，戴若犁，劉昊揚(yáng)

（1.北京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)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?yàn)榍度胧竭h(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)；劉曉平（教授），主要研究方向?yàn)闇y(cè)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?yàn)榛谥悄懿牧稀C(jī)電一體化及傳感器技術(shù)的振動(dòng)控制；劉昊揚(yáng)（博士），主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)動(dòng)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(cè)量因?yàn)椴捎酶呔韧勇輧x和加速度計(jì)等姿態(tài)傳感器，體積龐大并且價(jià)格昂貴［1］。當(dāng)前 MEMS產(chǎn)品因其體積小、價(jià)格低、功耗低，被稱(chēng)為是傳統(tǒng)的慣性測(cè)量組合的一次重大改革，越來(lái)越多地應(yīng)用于姿態(tài)測(cè)量應(yīng)用中。并且，隨著MEMS技術(shù)的迅速發(fā)展以及向各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的滲透，它的各方面性能如精度、魯棒性、動(dòng)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€(gè)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(cè)量系統(tǒng)滿(mǎn)足了低成本、低功耗、微型化的應(yīng)用需求，給消費(fèi)電子領(lǐng)域帶來(lái)了巨大進(jìn)步，如智能手機(jī)中的重力感應(yīng)與指南針，同時(shí)給航空、工業(yè)、汽車(chē)、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)控、通信等領(lǐng)域帶來(lái)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(jì)及三軸MEMS電子羅盤(pán)與Freescale單片機(jī)MC9S08QE8組成一個(gè)嵌入式姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。陀螺儀由于動(dòng)態(tài)性能好，用于獲取實(shí)時(shí)姿態(tài)信息。但陀螺儀因?yàn)闀?huì)產(chǎn)生偏移，而加速度計(jì)與電子羅盤(pán)因其靜態(tài)性能比較優(yōu)越，所以用來(lái)對(duì)陀螺儀姿態(tài)計(jì)算過(guò)程中的誤差進(jìn)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(jì) ADXL345、三軸MEMS電子羅盤(pán)HMC5843及單片機(jī)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(hào)由單片機(jī)MC9S08QE8的ADC模塊進(jìn)行采集，而加速度信號(hào)和電子羅盤(pán)信號(hào)則通過(guò)I2C總線(xiàn)傳送到單片機(jī)。這9路信號(hào)在單片機(jī)中首先經(jīng)過(guò)前期的處理，而后由單片機(jī)中的姿態(tài)計(jì)算算法程序獲取3個(gè)姿態(tài)角信息，這3個(gè)信息通過(guò)單片機(jī)MC9S08QE8的串口模塊傳送到上位機(jī)進(jìn)行演示，嵌入式姿態(tài)測(cè)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(cè)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(jī)械陀螺儀原理，由于ST公司選用了音叉方法，并且振動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(cè)量范圍達(dá)±300°／s，擁有自測(cè)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(jī)模式電流小于1μA。

1.2 三軸MEMS加速度計(jì)

系統(tǒng)中三軸MEMS加速度計(jì)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(cè)量范圍。芯片內(nèi)帶的32級(jí)FIFO存儲(chǔ)可以緩存數(shù)據(jù)，從而減輕處理器的負(fù)擔(dān)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(biāo)準(zhǔn)的I2C或SPI數(shù)字接口，非常適合于移動(dòng)設(shè)備的應(yīng)用。

1.3 三軸MEMS電子羅盤(pán)

系統(tǒng)中的三軸MEMS電子羅盤(pán)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(qiáng)度磁場(chǎng)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(fèi)電子設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)中擁有明顯的優(yōu)越性。

1.4 單片機(jī)MC9S08QE8

系統(tǒng)中單片機(jī)采用Freescale公司的MC9S08QE8。MC9S08QE8采用了眾多新技術(shù)，如電池壽命、延長(zhǎng)技術(shù)、增強(qiáng)型的低功耗性能以及超低電壓下的高級(jí)運(yùn)行能力等。同時(shí)具有極高的集成度，集成了很多系統(tǒng)級(jí)功能，如12位高精度 A／D轉(zhuǎn)換器、定時(shí)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(jì)

2.1 電源模塊

本系統(tǒng)的電源穩(wěn)壓電路為整個(gè)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(xiàn)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(lái)減少輸出電壓的噪音，而C2作為輸出與GND的電容，用來(lái)防止電路產(chǎn)生振蕩。C2的電容大小與C1有關(guān)，但當(dāng)C1為470nF時(shí)，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(jī)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(gè)輸入通道，可以配置采用時(shí)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(diǎn)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(dòng)實(shí)現(xiàn)所設(shè)定的幾個(gè)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(shí)現(xiàn)。這樣既簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)，又降低了轉(zhuǎn)換功耗，減輕了MC9S08QE8的負(fù)擔(dān)。

陀螺儀與單片機(jī)ADC模塊的接口如圖3所示。圖中ST、HP、PD作為自我測(cè)試、能量控制、高通濾波設(shè)置3個(gè)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(rèn)為正常工作模式，如果需要對(duì)相應(yīng)的工作模式進(jìn)行改變則須改變對(duì)應(yīng)MC9S08QE8 I／O口的電平為高電平。而LY530AL與LPR530AL的輸出信號(hào)（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(jì)中特別注意的是，LPR530AL有2種輸出模式：一種是采用經(jīng)過(guò)內(nèi)部放大4倍后的輸出，另一種是正常的輸出。當(dāng)采用非線(xiàn)性放大輸出方式時(shí)，應(yīng)當(dāng)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(méi)有擴(kuò)展旁路濾波，則應(yīng)當(dāng)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(jī)ADC模塊的接口

2.3 加速度計(jì)、電子羅盤(pán)與I 2C接口

MC9S08QE8內(nèi)帶的高速I(mǎi)2C模塊擁有多主機(jī)操作、可編程從機(jī)地址、中斷驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，總線(xiàn)在最大負(fù)荷下可達(dá)到100 kbps的速度。系統(tǒng)中，加速度計(jì)、電子羅盤(pán)芯片與MC9S08QE8I2C模塊的接口如圖4所示。圖中ADXL345的CS引腳用來(lái)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(xiàn)引腳上。電子羅盤(pán)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(jì)、電子羅盤(pán)與MC9S08QE8I2 C模塊的接口

3 軟件設(shè)計(jì)與測(cè)試

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分。依據(jù)上述硬件電路的設(shè)計(jì)原理與功能要求，軟件中首先要完成MC9S08QE8的初始化，對(duì)各種MEMS傳感器的工作模式進(jìn)行設(shè)定；然后獲取三軸陀螺儀、加速度計(jì)、電子羅盤(pán)的實(shí)時(shí)信號(hào)，并根據(jù)姿態(tài)計(jì)算算法計(jì)算姿態(tài)角，最終把姿態(tài)角信息通過(guò)串口傳送到上位機(jī)中進(jìn)行測(cè)試與演示，嵌入式姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

圖5 嵌入式姿態(tài)測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、端口及各個(gè)使用的功能模塊進(jìn)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(hào)，不用對(duì)其具體工作模式進(jìn)行設(shè)定。加速度計(jì)ADXL345豐富的功能是通過(guò)配置對(duì)應(yīng)的寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)對(duì)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(lái)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(jìn)一步降低功耗，可將BW＿RATE寄存器中的LOW＿POWER位置位，進(jìn)入低功耗模式。而DATA＿FORMAT寄存器用來(lái)設(shè)定數(shù)據(jù)格式與加速度計(jì)的量程，F(xiàn)IFO＿CTL寄存器用來(lái)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(gè)用來(lái)存放初始化時(shí)標(biāo)定的X、Y、Z軸的偏移量，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正［5］。

電子羅盤(pán)HMC5843配置相對(duì)簡(jiǎn)單，主要有3個(gè)寄存器，通過(guò)配置寄存器A可以設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸速率和測(cè)量模式，寄存器B用來(lái)設(shè)置設(shè)備的增益大小，而通過(guò)模式寄存器用來(lái)設(shè)置設(shè)備的工作模式。

3.3 姿態(tài)計(jì)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(hào)通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程計(jì)算出方向余弦矩陣，三軸加速度計(jì)信號(hào)與三軸電子羅盤(pán)信號(hào)結(jié)合PI反饋控制對(duì)陀螺儀信號(hào)進(jìn)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(shí)現(xiàn)：

上述計(jì)算得到的實(shí)時(shí)姿態(tài)角數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送到上位機(jī)，上位機(jī)中通過(guò)編寫(xiě)的python演示程序?qū)ο挛粰C(jī)姿態(tài)測(cè)量模塊的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行跟蹤與顯示，演示效果如圖7所示。每幅圖中包含3個(gè)部分：第1部分（左上角）中紅、綠、藍(lán)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(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)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(dòng)下的演示效果，右圖表示在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中物體的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)效果，通過(guò)對(duì)比與分析2個(gè)圖及各圖對(duì)應(yīng)3部分的效果，可以說(shuō)明本設(shè)計(jì)達(dá)到了良好的效果，能比較正確地測(cè)量物體的姿態(tài)信息。

圖7 上位機(jī)演示效果

結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)前，各種消費(fèi)電子設(shè)備內(nèi)部一般含有三軸加速度計(jì)和電子羅盤(pán)，如智能手機(jī)、平板電腦等，但加速度計(jì)動(dòng)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(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能。本文設(shè)計(jì)的嵌入式姿態(tài)測(cè)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(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)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(fèi)電子與一般工業(yè)的姿態(tài)測(cè)量與物體穩(wěn)定控制的應(yīng)用中。

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