基于ARM与MEMS器件的微惯性测量装置设计
1 设计要求和系统结构
根据活体鱼类的生物特征和实验本身的特点，微惯性测量装置应该满足下列设计要求：体积小，质量轻，功耗低，采集频率和采集精度高，防水密封性能良好。为了实现这些需求，微惯性测量装置的硬件由两部分组成：①微处理器单元；②微惯性传感器单元。微处理器单元主要包括微处理器、A／D转换芯片和Flash。微处理器作为核心单元，通过SPIl口连接A／D转换芯片完成数据采集，通过SPIO口连接Flash完成数据存储，通过串口与上位机通信。微惯性传感器单元是由MEMS加速度计和MEMS陀螺所组成的，完成加速度与角速度的原始信息采集任务。采集的原始信息经过A／D转换处理后，写入Flash芯片中保存，或通过串口直接发送至上位机进行处理。系统原理简图如图l所示。
2 微处理器单元
2．1 LPC2129处理器
本装置既要求微处理器具有一定的处理能力又要求功耗低、体积小，所以选用Philips公司的LPC2129。LPC2129基于一个支持实时仿真和跟踪的16／32位ARM7TDMI-SCPU，并带有16 KB片内SRAM和256KB嵌入的高速片内Flash存储器。LPC2129具有LQFP64的较小封装、极低的功耗、多个32位定时器、4路10位ADC、9个外部中断、最多可达46个GPIO等。
在LPC2129的软件设计上，未采用ARM上常用的uC／OS-II或uClinux操作系统，而是使用前后台式的定时中断结构。这种前后台式的定时中断结构更适于实时性要求很高的控制系统，可以保证控制回路延迟均在一个设计确定的范围内，并且各个模块问优先级关系十分明确，使用起来较为方便。
2．2 A／D转换采集芯片ADSl256
A／D转换芯片采用美国TI公司的24位串行模／数转换器ADSl256。其可提供高达23位的无噪声精度，数据速率最高可达30 ksps。ADSl256采用四线制SPI通信方式，与LPC2129的SPIl接口相连，可以灵活方便地进行通信。
ADS1256采用多通道循环采集的工作方式。在数据准备信号DRDY提示可以提取数据后，首先将当前的采集通道变为下一个采集通道，开始新的采集转换，然后再马上提取A／D转换寄存器中的数据(这时的数据其实是上一轮转换好的数据)。这种方式在实现提取数据的同时进行新数据的采集转换，是一种高效率的工作方式。
2．3 Flash芯片AT45DB041B
Flashl选用Atmel公司的可编程串行存取芯片AT45DB041B。主存储单元分为2048页，每页264字节；具有2个264字节静态随机存储器作为数据缓冲器。
AT45DB04lB与LPC2129的SPI0接口相连，采集的数据首先写入Flash的缓冲区2中，再将缓冲区里的数据写入Flash的主存页面进行保存，待离线的数据分析处理。
3 微惯性传感器单元
微惯性测量装置的MEMS传感器单元由微机械陀螺和微加速度计组成，可精确测量载体的一个轴向角速度信息和一个轴向加速度信息。
3.1 ADXRS300单角速度陀螺仪
ADXRS300是美国模拟器件公司生产的基于MEMS技术的角速度传感器。ADXRS300采用+5V电源供电，测量偏航角速度的范围是±300rad／s，灵敏度为5mV／(rad·s-1)，零位输出电压为2．5V。通过外部电阻和电容可分别设定测量角速度的范围、带宽及零位输出电压。采用BGA-32封装技术，外围尺寸仅为7mm×7mm×3mm，重量仅0．5g。
设被测量的角速度为αv，单位为(°)／s；输出电压为Uo，单位为mV；灵敏度K为5mV/(°)·s-1，零位输出电压为2．5V，则有关系式：
3.2 ADXLl50单轴加速度计
ADXL150是美国模拟器件公司生产的基于MEMS技术的单轴微加速度传感器。ADXL150的主要性能特点：零位输出偏置电压为Us／2，测量范围为±50g，灵敏度系数为38mV/g，非线性度0．2％，零加速度漂移为O．2g；4～6V供电均可工作；功耗很低，静态电流只有1．8～3．5mA。
设被测量的加速度为av，单位为g；输出电压为Uo，单位为mV；灵敏度为K，单位为mV／g；电源电压为Vs，单位为mV，则有关系式：
4 速度、角度、位移的测量原理
角速度与加速度信息经过积分计算处理后，可以得到角度、速度、位移等信息，故该装置在可测量载体角速度与加