王志輝 呂 琪 楊錦強(qiáng)

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

智能家用電器遍布了人們生活中的各個(gè)部分，監(jiān)控車輛狀態(tài)的智能運(yùn)輸監(jiān)測(cè)儀占據(jù)著愈發(fā)重要的地位。利用傳感器獲取車輛行駛、運(yùn)輸過程中的準(zhǔn)確、實(shí)際的三軸加速度數(shù)據(jù)，不斷監(jiān)測(cè)其安全性和穩(wěn)定性[1]。當(dāng)儀器發(fā)生不規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生不同的振動(dòng)或頻率模式[2]，網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)獲得對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)事件的狀態(tài)參數(shù)，從而進(jìn)一步獲得車輛的運(yùn)動(dòng)事件及對(duì)應(yīng)狀態(tài)[3]。

本文研究了基于ADXL375加速度計(jì)的運(yùn)輸監(jiān)控中數(shù)據(jù)校準(zhǔn)偏移方法，此方法測(cè)量連續(xù)的時(shí)間內(nèi)的偏移值是對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的保障，從而提高了加速度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1 ADXL375介紹

ADXL375是一款3軸數(shù)字MEMS加速度計(jì)，在1 600 Hz帶寬下提供低功耗（145 μa）和高分辨率（98 mg/LSB）測(cè)量，最高可達(dá)±200 g，提供足夠的動(dòng)態(tài)范圍以準(zhǔn)確捕捉?jīng)_擊事件。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)可通過SPI或I2C數(shù)字接口訪問。0 g偏移作為測(cè)量加速度的基線和標(biāo)準(zhǔn)，是重要的加速度計(jì)指標(biāo)。但是在組裝載有加速度計(jì)的系統(tǒng)時(shí)，在對(duì)其他元器件進(jìn)行焊接、安裝時(shí)，任何操作都會(huì)對(duì)加速度計(jì)的測(cè)量結(jié)果有所影響。在系統(tǒng)組裝完成后對(duì)加速度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，以補(bǔ)償這些影響是必要的。

2 偏移校準(zhǔn)原理

加速度計(jì)校準(zhǔn)的核心原理是測(cè)量X、Y、Z軸數(shù)據(jù)的偏移值，因?yàn)榧铀俣扔?jì)內(nèi)部自帶偏移寄存器自動(dòng)記錄了X、Y、Z軸數(shù)據(jù)的偏移量，起到補(bǔ)償偏移輸出的作用[4]。偏移寄存器（寄存器0x1E、0x1F和0x20）包含8位二進(jìn)制補(bǔ)碼值，即加速度計(jì)所測(cè)得的X、Y、Z軸加速度值，這些值被自動(dòng)記錄至加速度計(jì)內(nèi)部的數(shù)據(jù)寄存器。因?yàn)槿齻€(gè)偏移寄存器的值均為附加值，因此三個(gè)偏移寄存器中的負(fù)值可以消除正偏移，正值則消除負(fù)偏移。

具體的校準(zhǔn)過程如下：X、Y軸上的0 g偏移值測(cè)量結(jié)果為X0g、Y0g。因?yàn)閆軸測(cè)量在+1 g場(chǎng)完成，所以無(wú)調(diào)頭或單點(diǎn)校準(zhǔn)方案假定為Z軸的理想靈敏度SZ（20 LSB/g）。Z軸上的1 g偏移值測(cè)量結(jié)果為Z1g。加速度計(jì)X、Y軸的測(cè)量值XMEAS、YMEAS分別對(duì)應(yīng)于X、Y軸偏移X0g、Y0g，通過從傳感器輸出中減去X0g、Y0g進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)補(bǔ)償，以獲取實(shí)際值XACTUAL、YACTUAL，具體如公式（1）（2）所示：

從Z1g減去SZ得到Z軸偏移值Z1g，然后從測(cè)量值ZMEAS減去Z軸偏移，記為Z0g，獲得實(shí)際值ZACTUAL的具體如公式（3）（4）所示：

3 校準(zhǔn)過程

本文提出了一種基于三軸加速度計(jì)的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)方法。校準(zhǔn)過程主要分為三部分：準(zhǔn)備校準(zhǔn)、執(zhí)行校準(zhǔn)、校準(zhǔn)結(jié)果顯示。具體校準(zhǔn)流程如圖1所示。系統(tǒng)需在有效、合適的環(huán)境下進(jìn)行校準(zhǔn)，在最多n分鐘時(shí)間內(nèi)結(jié)束校準(zhǔn)，在n分鐘里出現(xiàn)連續(xù)三秒內(nèi)三次的偏移值均在范圍內(nèi)的情況，則校準(zhǔn)成功，否則校準(zhǔn)失敗。

圖1 校準(zhǔn)流程圖

3.1 校準(zhǔn)環(huán)境條件

本文提出的校準(zhǔn)方法是基于重力場(chǎng)的靜態(tài)校準(zhǔn)，是對(duì)加速度計(jì)的零偏和標(biāo)度因數(shù)進(jìn)行高精度校準(zhǔn)的最佳手段。校準(zhǔn)條件的標(biāo)準(zhǔn)如下所示：大理石平面要求長(zhǎng)*寬*高300*300**50 mm、重量19 kg、水平面平整度為≤3 μm，使用水泡儀將大理石桌面調(diào)至水平、靜止[5]；環(huán)境溫度通常為室溫25（20±5）℃；相對(duì)濕度≤85 % RH[6]；保證校準(zhǔn)環(huán)境較安靜、大理石桌面周圍無(wú)較大的震動(dòng)、噪聲源以及大型器械、載具運(yùn)行，并盡可能地減少人員的交流與走動(dòng)。

3.2 準(zhǔn)備校準(zhǔn)

在3.1所述環(huán)境下，儀器平穩(wěn)放置無(wú)調(diào)頭，即靜止時(shí)，在開機(jī)后，在10 s內(nèi)，需要使其一直處于靜止?fàn)顟B(tài)，即準(zhǔn)備校準(zhǔn)狀態(tài)。10 s后儀器將自動(dòng)進(jìn)入開始校準(zhǔn)狀態(tài)。

3.3 執(zhí)行校準(zhǔn)

芯片手冊(cè)建議100 Hz或更高數(shù)據(jù)速率的起點(diǎn)為0.1 s，即100 Hz數(shù)據(jù)速率下10個(gè)樣本。儀器數(shù)據(jù)速率為1 600 Hz，采樣160個(gè)樣本，即1 s采樣0.1 s數(shù)據(jù)計(jì)算偏移值X0g、Y0g、Z0g，偏移值為樣本數(shù)據(jù)的均值。校準(zhǔn)過程采樣0.1 s數(shù)據(jù)計(jì)算偏移值寫入傳感器，每間隔一秒采樣0.1 s數(shù)據(jù)計(jì)算偏移值，需連續(xù)計(jì)算3 s 3次三個(gè)軸的偏移值并判斷是否均在允許誤差范圍內(nèi)。若均在允許誤差范圍內(nèi)則校準(zhǔn)成功，則立即退出校準(zhǔn)過程；若不在允許誤差范圍內(nèi)，則將3次偏移值均值寫入傳感器繼續(xù)下一次校準(zhǔn)，如此循環(huán)，在n分鐘內(nèi)有一次連續(xù)的3 s均在范圍內(nèi)就代表校準(zhǔn)成功。若一直校準(zhǔn)失敗，n分鐘計(jì)時(shí)結(jié)束則立即退出校準(zhǔn)過程。

3.4 校準(zhǔn)結(jié)果顯示

經(jīng)多次測(cè)試，總校準(zhǔn)時(shí)長(zhǎng)為3 min最為合適，其允許了多個(gè)范圍的校準(zhǔn)成功與否，以下實(shí)驗(yàn)均設(shè)定n為3。根據(jù)加速度計(jì)技術(shù)手冊(cè)，X、Y、Z軸的加速度比例因子0.049 g/LSB，以下數(shù)據(jù)單位均為L(zhǎng)SB。

實(shí)驗(yàn)1校準(zhǔn)允許的誤差范圍為4/LSB，即0.2 g，在3.1所述環(huán)境下進(jìn)行校準(zhǔn)，3 s三個(gè)軸的偏移量均在范圍內(nèi)，結(jié)果顯示校準(zhǔn)成功。第一秒X、Y、Z軸的偏移量X0g、Y0g、Z0g為1、1、-2/LSB，即X、Y軸偏移0.05 g，Z軸偏移0.1 g；第二秒X、Y、Z軸的偏移量為2、-2、-1/LSB，即X、Y軸偏移0.1 g，Z軸偏移0.05 g；第三秒X、Y、Z軸的偏移量為0、0、4/LSB，即X、Y無(wú)偏移，Z軸偏移0.2 g。具體數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。其中第三次的Z軸的偏移量Z0g的160個(gè)樣本數(shù)據(jù)以及均值，如表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)1校準(zhǔn)成功數(shù)據(jù)

表2 實(shí)驗(yàn)1第三次的Z軸的偏移量樣本數(shù)

實(shí)驗(yàn)2校準(zhǔn)允許的誤差范圍為2/LSB，即0.1 g，在3.1所述環(huán)境下進(jìn)行校準(zhǔn)，3秒三個(gè)軸的偏移量均在范圍內(nèi)，結(jié)果顯示校準(zhǔn)成功。第一秒X、Y、Z軸的偏移量X0g、Y0g、Z0g為 1、-1、1/LSB，即 X、Y、Z軸均偏移0.05 g；第二秒X、Y、Z軸的偏移量為0、-2、0/LSB，即X、Z軸無(wú)偏移，Y軸偏移0.1 g；第三秒X、Y、Z軸的偏移量為0、-1、1/LSB，即X無(wú)偏移，Y、Z軸偏移0.1 g。具體數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。其中第三次的X軸的偏移量Z0g的160個(gè)樣本數(shù)據(jù)以及均值，如表4所示。

表3 實(shí)驗(yàn)2校準(zhǔn)成功數(shù)據(jù)

表4 實(shí)驗(yàn)2第三次的X軸的偏移量樣本數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)3校準(zhǔn)允許的誤差范圍為2/LSB，即0.1 g，在3.1所述環(huán)境有干擾的情況下，結(jié)果顯示校準(zhǔn)失敗，即三分鐘內(nèi)未出現(xiàn)連續(xù)3 s內(nèi)3次三個(gè)軸的偏移量X0g、Y0g、Z0g均在2/LSB范圍內(nèi)。第一秒X、Y、Z軸的偏移量X0g、Y0g、Z0g為1、1、-2/LSB，即X、Y偏移0.05 g，Z軸偏移0.1 g；第二秒X、Y、Z軸的偏移量X0g、Y0g、Z0g為0、0、2/LSB，即X、Y無(wú)偏移，Z軸偏移0.1 g，前兩秒的三個(gè)軸的偏移值均在允許的范圍0.1 g內(nèi)。數(shù)據(jù)顯示第三秒校準(zhǔn)失敗，X、Y、Z軸的偏移量X0g、Y0g、Z0g為-1、0、3/LSB，即X軸偏移0.05 g，Y軸無(wú)偏移，具體問題是第三秒時(shí)Z軸的偏移量為3/LSB，已超過設(shè)定的誤差范圍2/LSB。具體數(shù)據(jù)結(jié)果如表5所示。其中第三次的Z軸的偏移量Z0g的160個(gè)樣本數(shù)據(jù)以及均值，如表6所示。

表5 實(shí)驗(yàn)3校準(zhǔn)失敗數(shù)據(jù)

表6 實(shí)驗(yàn)3第三次的Z軸的偏移量樣本數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種基于ADXL375三軸加速度計(jì)的運(yùn)輸監(jiān)控中數(shù)據(jù)的零偏校準(zhǔn)技術(shù)方法，該方法以較小的偏移值范圍為判斷標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)精確的檢測(cè)算法。通過對(duì)X、Y、Z軸三個(gè)方向的偏移值的連續(xù)時(shí)間內(nèi)的測(cè)量與判斷，驗(yàn)證了校準(zhǔn)方法與環(huán)境條件的可行性和準(zhǔn)確性。該方案具有成本低、算法快速高效等優(yōu)點(diǎn)。