多MEMS传感器的嵌入式姿态测量系统设计.PDF

MEMS MEMS 多MMEEMMSS传感器的嵌入式姿态测量系统设计 摘要：针对姿态测量在低成本、低功耗、微型化应用中的需求，设计了三轴MEMS陀螺仪、 加速度计、电子罗盘与嵌入式技术相结合的姿态测量系统。介绍 了系统的组成结构，设计 了嵌入式姿态测量硬件电路，并实现了基于姿态计算DCM算法的程序。上位机演示表明， 系统的姿态测量结果准确、动态效果好。 关键词：姿态测量；MEMS传感器；嵌入式技术 引言 传统的姿态测量因为采用高精度陀螺仪和加速度计等姿态传感器，体积庞大并且价格昂 贵。当前MEMS产品因其体积小、价格低、功耗低，被称为是传统的惯性测 量组合的一次 重大改革，越来越多地应用于姿态测量应用中。并且，随着MEMS技术的迅速发展以及向 各个学科领域的渗透，它的各方面性能如精度、鲁棒性、动 态响应等都得到了巨大的提高。 随着嵌入式技术的不断发展，以应用为中心的嵌入式系统由于体积小、功耗低、可靠性 高、可裁减性好、软硬件集成度高，已经渗入到我们日常生活的各个方面，在 各行各业中 都得到了应用。而嵌入式与MEMS的结合使姿态测量系统满足了低成本、低功耗、微型化 的应用需求，给消费电子领域带来了巨大进步，如智能手机中 的重力感应与指南针，同时 给航空、工业、汽车、医疗、环境监控、通信等领域带来了十分广阔的应用前景。 本文采用三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计及三轴MEMS电子罗盘与Freescale 单片机MC9S08QE8组成一个嵌入式姿态测量系统。陀 螺仪由于动态性能好，用于获取实 时姿态信息。但陀螺仪因为会产生偏移，而加速度计与电子罗盘因其静态性能比较优越，所 以用来对陀螺仪姿态计算过程中的误差 进行修正。 1 系统组成和结构 本系统主要由单轴陀螺仪LY530AL、双轴陀螺仪LPR530AL、三轴MEMS 加速度计 ADXL345、三轴MEMS 电子罗盘HMC5843及单片机 MC9S08QE8组成。其中X、Y 方向 的双轴陀螺仪与 Z 轴方向的单轴陀螺仪组合成三轴陀螺仪，它们的信号由单片机 MC9S08QE8的ADC模块进行采 集，而加速度信号和电子罗盘信号则通过I2C总线传送到 单片机。这9路信号在单片机中首先经过前期的处理，而后由单片机中的姿态计算算法程序 获取3个姿态 角信息，这3个信息通过单片机MC9S08QE8的串口模块传送到上位机进行演 示 ， 嵌 入 式 姿 态 测 量 系 统 结 构 框 图 如 图 1 所 示 。 1．1 三轴MEMS陀螺仪 系统中三轴MEMS陀螺仪由ST公司的单轴Z方向的陀螺仪LY530AL和双轴X、Y方 向的陀螺仪LPR530AL组合而成。它们采用电容式微机械陀螺仪 原理，由于ST 公司选用 了音叉方法，并且振动驱动电路采用了双闭环的控制结构，显著地提高了陀螺仪的稳定性和 分辨率。测量范围达±300°／s，拥有自测 功能，输出端集成了低通滤波电路，工作电压为1． 8～3．6V，待机模式电流小于1μA。 1．2 三轴MEMS加速度计 系统中三轴MEMS 加速度计选用ADI 公司的ADXL345。ADXL345是基于iMEMS 技 术的三轴、数字输出加速度传感器，具 有±2g、±4g、±8g、±16g可变的测量范围。芯片内 带的32级FIFO 存储可以缓存数据，从而减轻处理器的负担并降低了系统功耗。ADXL345 具 有较高的分辨率与灵敏度、3mm×5mm×1mm 超小封装、40～145μA超低功耗及标准的I2C 或SPI数字接口，非常适合于移动设备的应用。 1．3 三轴MEMS电子罗盘 系统中的三轴MEMS电子罗盘采用霍尼韦尔公司的HMC5843，它采用霍尼韦尔公司的 各向异性磁阻(AMR)技术，由霍尼韦尔高精度的HMC118X 系列磁阻传感器组成，在低强 度磁场传感器中具有较高的灵敏度和可靠性。2．16～3．3V的低电压供电、0．66mA 电 流功耗，以及3mm×3mm×0．9mm的小体积，在消费电子设备、导航系统中拥有明显的优 越性。 1．4 单片机MC9S08QE8 系统中单片机采用Freescale公司的MC9S08QE8。MC9S08QE8采用了众多新技术，如 电池寿命、延长技术、增强型的低功耗性能以及超低 电压下的高级运行能力等。同时具有 极高的集成度，集成了很多系统级功能，如12位高精度A／D转换器、定时器、SPI、I2C、 SCI等常用模块，非常适 合低功耗、低成本的应用。 2 应用电路设计 2．1 电源模块 本系统的电源稳压电路为整个系统所有设备供电，考虑到系