基于ADISl6355 MEMS的惯性测量组件系统设计

首先简介ADISl6355AMLZ型MEMS的原理、构成及应用。在此基础上，搭建一个硬件平台，采用内置USB控制器的AT89C513lA型单片机作为主控制器，控制ADISl6355AMLZ并采集、存储数据。并对惯性测量组件系统进行数据采集设计。经测试，该系统达到了预期设计要求。

　　运动目标跟踪测量、视频监控等各种实时测量系统在工业、生活中应用日益广泛。然而在这些系统中存在一个共同问题；如何保持摄像机的稳定，处理在跟踪过程中摄像机出现的抖动。传统的方法是采用预先建立的数学模型在后期进行算法处理来纠正摄像机出现的抖动误差，然而这种情况下要求建立的数学模型相当可靠，而实际处理产生的误差也较大，虽然个别系统也采用惯性测量组件，但大都功能单一、精度较低。这里主要针对ADI公司生产的ADISl6355AMLZ在摄像稳定中的作用，设计一个高精度的惯性测量组件系统。将其应用在需要摄像稳定的跟踪、监控摄像机上，可以准确记录出现的抖动误差，有效提高测量精确度。

　　1 ADISl6355AMLZ概述

　　1．1 ADISl6355AMLZ的基本原理

　　ADISl6355AMLZ是ADI公司生产的一款数字输出、全温校准的高性能、微惯性测量系统。其输出为SPI串行接口，提供3个角速率信号、3个线加速度计信号、温度传感器信号、电源电压信号和1个辅助的模拟输入。ADISl6355AMLZ是一种微机械陀螺仪，属于振动陀螺仪VG(Vibrat- ory Gymscope)。振动陀螺仪的基本工作原理都是产生并检测哥氏加速度，即利用哥氏效应使陀螺的2个振动模态间产生能量转换。哥氏加速度在旋转坐标系中表征加速度，与旋转坐标系的旋转速率成比例。

　　1．2 ADISl6355AMLZ的基本构成

　　ADISl6355AMLZ是ADI公司MEMS器件ADISl635X系列的角速度、加速度测量传感器，其核心传感器部件均采用iMEMs技术，属于利用哥氏效应的振动陀螺仪。输出零偏稳定性为O．015(°)／s，角度随机游走为4．2(°)／s，而其温度系数则为O．008(°)／s／℃，因此适用于角度精度要求较高的场合。ADISl6355AMLZ提供一个串行外部接口SPI，可对器件进行配置，获得运行状态与测量结果等；对外部供电要求不高，内部自带高精度稳压电路，外围电路较少。

　　2 惯性测量组件系统设计

　　这里主要利用ADISl6355AMLZ在摄像稳定方面的重要作用，可有效校正摄像机在跟踪运动目标过程中由于抖动而产生的误差，并能较好解决在跟踪过程中运动目标在摄像机视场中丢失的问题，与传统的根据已建立的数学模型来处理目标丢失现象相比，准确度较高。

　　2．1系统硬件设计

　　该系统硬件电路主要包括AT89C513lA、K9F1G08UOM存储器、ADISl6355AMLZ等。图1为系统硬件框图。

MCU控制器作为主控制器可直接控制惯性测量组件的工作状态、数据采集，并将惯性测量组件采集的数据转存到存储器件内，或通过USB接口直接传入PC机处理。AT89C513lA是Atmel公司生产的基于80C52内核的高性能8位单片CPU微处理器器件，片上集全速USB控制器和SPI接口，可方便地与陀螺仪器件连接，并通过USB接口将数据高速采集到PC机。K9F1G08UOM是三星公司的NAND Flash存储器件，其容量为128 MB，在惯性测量组件高速采集的情况下可存储至少4 h的连续采集数据量。其内部存储列为1 024块。每块分为64页，1页包含2 112字节，命令、地址、数据信息通过8条I／O线时分复用。可执行2 K字节的页编程操作和页读操作。

　　在该系统中，ADSl6355AMLZ作为从设备通过SPI接口与外界通信，输出测得的三轴角速度、三轴加速度、三轴温度、电压值，外部CPU也可通过该接口设置ADISl6355AMLZ内部寄存器，从而增强使用的灵活性。图2为惯性测量组件的读操作SPI时序图。

　　从图2中可看出，ADISl6355AMLZ的1次SPI传输包括16位数据。其中第l位是此次SPI传输的读写状态标识，第2位为O，接着的6特位是即将读或写的寄存器地址，最后的8位在写操作时是将要写入寄存器的数据，如果是读操作则无效。完成ADISl6355AMLZ的1个读操作需2次16位的 SPI通信，其中第1次是写入将要读取的寄存器地址，读寄存器的内容将在第2次SPI通信时出现在ADISl6355AMLZ的DOUT信号线上，输入 SPI的主设备。

　　AT89C5131A内置包含SPI接口，可方便地与ADISl6355AMLZ连接，通过SPI接口配置相应的寄存器即可控制 ADISl6355AMLZ。由于该单片机为8位。其内部寄存器也为8位。因此需对自身的SPI寄存器进行2次写操作，才能完成 ADISl6355AMLZ 1次SPI数据传输。该单片机内含1个USB控制器，可向PC机高速传输数据。

　　2．2惯性测量组件系统硬件电路设计

该系统的硬件电路部分主要由内置USB控制器的AT89C513l、NAND Fl