基于多MEMS传感器的姿态测量系统

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1．8～3．6 V，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、3 mm×5 mm×1 mm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HMC11 8X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。2．16～3．3 V的低电压供电、0．66 mA电流功耗，以及3mm×3 mm×0．9 mm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，考虑到系统中涉及数字型和模拟型传感器，采用了低噪音、低漂移、供电电压为3．3 V的线性稳压芯片MIC5205。电源稳压电路原理图如图2所示。其中，C1是连接芯片内部电压参考源与GND的电容，用来减少输出电压的噪音，而C2作为输出与GND的电容，用来防止电路产生振荡。C2的电容大小与C1有关，但当C1为470 nF时，C2一般为2．2μF。D1为电源的指示灯。



2．2 陀螺仪与ADC模块

MC9S08QE8单片机内带的ADC模块是基于逐次逼近型12位模数转换器。它提供10个输入通道，可以配置采用时间转换速度及功耗，可以设置预置比较，从而保证某些不符合要求的数据不用保存。其中最能体现高性能特点的是可以设置连续序列转换方式，这种模式下，ADC硬件可自动实现所设定的几个通道连续转换，并把转换结果存入响应的数据寄存器中，而不用程序循环实现。这样既简化了程序设计，又降低了转换功耗，减轻了MC9S08QE8的负担。

陀螺仪与单片机ADC模块的接口如图3所示。图中ST、HP、PD作为自我测试、能量控制、高通滤波设置3个引脚，它们分别连接到MC9S08 QE8的通用I／O接口上。一般它们都接下拉电阻，默认为正常工作模式，如果需要对相应的工作模式进行改变则须改变对应MC9S08QE8I／O口的电平为高电平。而LY530AL与LPR530AL的输出信号(4xOTUX、4xOTUY、4xOTUZ引脚)与输出参考电压(Vref引脚)分别接MC9S08QE8的ADC模块的相应通道。设计中特别注意的是，LPR530AL有2种输出模式：一种是采用经过内部放大4倍后的输出，另一种是正常的输出。当采用非线性放大输出方式时，应当把LPR530AL的5引脚和9引脚连接GND；如果采用放大输出方式并且外部没有扩展旁路滤波，则应当分别把4和5引脚、9和10引脚短接。图3中，LY530AL工作原理与LPR530AL相似。

2．3 加速度计、电子罗盘与I2C接口

MC9S08QE8内带的高速I2C模块拥有多主机操作、可编程从机地址、中断驱动的逐字节数据发送、支持广播模式和10位寻址等特点，总线在最大负荷下可达到100kbps的速度。系统中，加速度计、电子罗盘芯片与MC9S08QE8 I2C模块的接口如图4所示。图中ADXL345的CS引脚用来控制选择I2C还是SPI通信协议，电平为高表示采用I2C协议，而SDA和SCL引脚分别连接到MC9S08QE8的I2C总线引脚上。电子罗盘HMC5843支持双电压工作，其中引脚VDD表示内核电压，引脚VDDIO表示外部I／O电压，本系统中采用单电压模式，即内核电压与外部I／O电压相同。