白宗文

（延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，延安 716000）

引 言

現(xiàn)代陀螺儀是一種能夠精確地確定運動物體方位的儀器，作為一種慣性測量器件，是慣性導(dǎo)航、慣性制導(dǎo)和慣性測量系統(tǒng)的核心部件。它是現(xiàn)代航空、航海、航天和國防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導(dǎo)航儀器[1，3－4]。

傳統(tǒng)的陀螺儀體積大，功耗高，易受干擾，穩(wěn)定性較差，ADI公司推出了新型速率ADXRS系列陀螺芯片，該系列芯片組成的角速度檢測陀螺儀能夠準(zhǔn)確地測量角速度，此外還可以利用該陀螺儀對角度進(jìn)行測量，本文利用該先進(jìn)的角速度檢測傳感器設(shè)計出電路簡單、精度高、具有重要應(yīng)用價值的實際電路。

ADXRS450[5]是基于ADI公司前三代MEMS開發(fā)的第四代器件的具有可編程電源電壓的數(shù)字角速率傳感器，它采用先進(jìn)的差分四傳感器設(shè)計，可在強(qiáng)烈沖擊和振動狀態(tài)下精確地工作。它在單芯片上實現(xiàn)完整的角速度陀螺儀功能，角速率檢測達(dá)到了±300°／s，可在寬頻率范圍內(nèi)提供高振動抑制特性，且具有極佳的零點失調(diào)穩(wěn)定性，具有內(nèi)部溫度補(bǔ)償，抗沖擊能力達(dá)2000g，16位數(shù)據(jù)字SPI數(shù)字輸出。ADXRS450具有低噪聲和低功耗、低電源供電、小巧便捷等優(yōu)點，主要用于醫(yī)療、工業(yè)、儀器儀表、和其他高性能應(yīng)用。這款陀螺儀具有極佳的抗沖擊和振動能力，適合惡劣環(huán)境下的應(yīng)用。

1 工作原理

ADXRS450使用諧振器陀螺儀原理工作[5－6]，每種檢測結(jié)構(gòu)均包含一個擾動框架，通過靜電驅(qū)動到達(dá)諧振狀態(tài)。這會產(chǎn)生必要的速度，從而在旋轉(zhuǎn)期間產(chǎn)生科里奧利力。當(dāng)檢測結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生的科里奧利力耦合至外部檢測框架，該框架包含置于固定撿拾器指之間的可動指。

這樣便形成一個容性撿拾結(jié)構(gòu)來檢測科氏運動。檢測到的信號被饋送至一系列增益和解調(diào)級，產(chǎn)生電速率信號輸出。4路傳感器設(shè)計以機(jī)械方式耦合4種檢測結(jié)構(gòu)，使外部重力表現(xiàn)為共模信號，而后者可通過ADXRS450中實施的完全差分架構(gòu)來消除，因而可抑制線性加速度和角加速度，包括外部重力和振動。

ADXRS450功能框圖如圖1所示。

圖1 ADXRS450功能框圖

ADXRS450陀螺儀使用完整的機(jī)電自測功能，靜電力施加于陀螺儀框架后造成容性檢測指偏轉(zhuǎn)。這一偏轉(zhuǎn)恰好等于外部速率輸入引起的偏轉(zhuǎn)。波束結(jié)構(gòu)的輸出與真實速率輸出信號均由相同的信號鏈進(jìn)行處理，從而提供完整的電氣和機(jī)械成分。

在器件以高于輸出帶寬的速率工作期間，機(jī)電自測連續(xù)執(zhí)行。自測程序產(chǎn)生等效的正負(fù)速率偏轉(zhuǎn)。該信息可被濾除，對解調(diào)速率輸出沒有影響。將正負(fù)自測偏轉(zhuǎn)間的差異幅度濾波至2Hz。連續(xù)監(jiān)控并與硬編碼自測限值進(jìn)行比較。

2 硬件設(shè)計

本電路系統(tǒng)由電池供電電源管理單元、傾角傳感器電路、信號調(diào)理電路、微控制器和鍵盤及顯示電路組成，如圖2所示。其中，微控制器實現(xiàn)系統(tǒng)的控制，利用SPI接口與傾角傳感器通信，電池供電電源管理單元向其他各單元提供合適的電壓。顯示電路及鍵盤電路實現(xiàn)測試結(jié)果的輸出和參數(shù)及命令的輸入。其中顯示電路及鍵盤電路屬于常見的電路，限于篇幅關(guān)系，此處不作詳細(xì)討論，重點介紹角度測量電路。

圖2 系統(tǒng)框圖

角度測量電路由微控制器ADuC7026、角速率傳感器和電壓增益控制電路構(gòu)成，如圖3所示。其中ADXRS450是具有可編程電源電壓的數(shù)字角速率傳感器，用于檢測角速度，使用時無需進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，從而可以節(jié)省系統(tǒng)成本和電路板面積。AD8034是運算放大器，DAC0引腳輸出靜態(tài)電壓，然后由AD8034放大。ADuC7026是精密模擬微控制器[7]，該芯片內(nèi)集成1Msps、12位、多通道高性能ADC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、32位 MCU和Flash／EE存儲器。其ADC具有多達(dá)12個單端輸入通道，另外還有4個ADC輸入通道也可以和4個DAC的輸出引腳復(fù)用。本設(shè)計主要利用其高精度特性和內(nèi)部的4路DAC，此外ADuC7026可以通過SPI接口與ADXRS450進(jìn)行通信，該接口利用ADuC7026內(nèi)部的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）設(shè)置ADXRS450的電源電壓。此外還可用于與LabVIEW接口通信等，并且可以監(jiān)控角速率輸出。接口電路如圖4所示。

圖3 角度測量電路

圖4 ADXRS450接口電路

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)中軟件設(shè)計的關(guān)鍵是將命令字根據(jù)SPI通信協(xié)議和ADXRS450的工作時序?qū)懭氲狡湎鄳?yīng)的命令字控制器中，ADXRS450工作時序圖如圖5所示。ADuC7026以16位格式、固定速率向相應(yīng)的寄存器寫入故障檢測命令字、存儲寄存器命令字等，每個寄存器為8位，但執(zhí)行讀取請求時數(shù)據(jù)最終以16位消息形式返回，高8位在前，低8位在后，詳細(xì)的命令字格式請參照數(shù)據(jù)手冊。軟件用C語言編程。

圖5 ADXRS450工作時序圖

ADXRS150和ADuC702的通信時該接口的命令設(shè)置和格式定義如下：時鐘相位＝時鐘極性＝0

此外，初始命令的器件響應(yīng)為0x00000001。這可以防止初始命令／響應(yīng)交換時傳輸隨機(jī)數(shù)據(jù)至主器件，ADXRS450的引腳功能如表1所列。

采樣程序見本刊網(wǎng)站 www.mestnet.com.cn。

4 實驗數(shù)據(jù)分析

表2給出了陀螺儀轉(zhuǎn)動±30°、±60°、±90°、±120°、±150°和±180°時的輸出結(jié)果。

表1 ADXRS450功能引腳定義

為減小誤差，在程序中采用了多次測量并舍棄最大和最小值然后求平均的方法，在硬件設(shè)計中選擇了精密模擬微控制器ADuC7026，盡量減小A／D轉(zhuǎn)換時數(shù)據(jù)舍棄的誤差。實驗結(jié)果表明：角度相對誤差小于0.5%，有較高的精度。

表2 角度測量結(jié)果單位：（°）

結(jié) 語

本文利用ADXRS450數(shù)字角速率傳感器和ADuC7026設(shè)計出了角度測量系統(tǒng)，其角度測量范圍為0°～360°，分辨率為0.1°，采用LCD顯示器件實時顯示測量角度。該系統(tǒng)具有尺寸小、功耗低、抗沖擊和振動性好的優(yōu)點，且電路結(jié)構(gòu)簡單，能精確測量轉(zhuǎn)動物體的偏轉(zhuǎn)角度，適用于各種慣性測量系統(tǒng)，是陀螺儀技術(shù)的一個典型應(yīng)用，具有較高的應(yīng)用價值。

[1] 何立民.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1997：78－132.

[2] 夏路易.智能儀表設(shè)計與接口技術(shù)[M].太原：太原理工大學(xué)出版社，2009：180－196.

[3] 黃然，呂紫旭，金惠華.基于角速度傳感器與DSP的三維陀螺儀[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2006（9）：53－58.

[4] 沙占友，王彥鵬，張永昌.單片偏航角速度陀螺儀的原理與應(yīng)用[J].傳感器世界，2004（9）：31－34.

[5] ADI.ADI實驗室電路合集[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011：87－89.

[6] ADI.ADXRS450DataSheet，2013.

[7] ADI.ADUC7026DataSheet，2013.