双轴加速度传感器ADXL202及其应用设计

引 言

ADXL202是ADI公司出品的一款双轴加速度测量系统，模拟输入，可测量动态加速度和静态加速度，测量范围为±(2～10)g，输出为周期可调的脉宽调制信号，可以直接与单片机或计数器连接。LPC2103为飞利浦公司的一款ARM7系列微控制器，主要用于工业控制、医疗系统、访问控制、POS机、通信网关等领域。本文使用LPC2103实现对ADXL202加速度数据的采集与处理。

1 ADXL202加速度传感器

1．1 ADXL202的引脚定义及基本特性

ADXL202为单片集成电路，集成度高、结构简单，内部包含多晶硅表面微处理传感器和信号控制电路，以实现开环加速度测量结构。与其他加速度计相比，ADXL202可在很大程度上提高工作带宽，降低噪声影响，零重力偏差和温度漂移也相对较低。图1所示为ADXL202传感器的引脚定义。



    ST：自检，用于控制芯片自检功能。接VDD时，输出占空比为10％的波形，说明芯片正常工作。
    COM：引脚4、7。使用时需将2个COM端接在一起并接地。
    T2：经电阻RSET接地，调节输出信号周期。输出信号周期T2=RSET／(125 MΩS-1)。
    VDD：电源。工作电压范围为+3．O～+5．25 V，可经过100Ω的去耦电阻接电源。
    XFILT、YFILT：经电容接地，用于改变带宽、滤除噪声和抑制零点漂移。
    Xout、Yout：输出。

图2为ADXL202传感器的内部结构原理图。



ADXL202传感器由振荡器，X、Y方向传感器，相位检波电路以及占空比调制器组成，具有数字输出接口和模拟电压信号输出接口。X、Y方向传感器是2个相互正交的加速度传感器，它们同时工作，可以测量动态变化的加速度和恒定的加速度。传感器之后级连相位检波器，主要是用来修正信号，并对信号的方向做出判断。检波器输出的信号，通过一个32 kΩ的电阻来驱动占空比调制器，通过在XFILT和YFILT引脚外接电容CX和CY来改变带宽。

1．2 测量数据的计算及处理

(1)信号带宽的计算

通过CX和CY来设定带宽，在XFILT和YFILT引脚接上电容，通过低通滤波器来减少噪声。3 dB带宽的公式为：

    f=5 μF／C(x，y) (电容最小值为l 000 pF)

(2)加速度的计算

输出信号周期T2=RSET／(125 MΩs-1)，如图3所示。



信号通过低通滤波器之后，占空比调制器把信号转换为数字信号输出。通过T2引脚的外接电阻可以改变T2的周期(O．5～10 ms)，这很适于在精度要求不同的场合下使用。输出的占空比信号通过计数器可以计算出占空比。加速度的计算可以通过下式得到：



例如，当加速度为0g时，信号宽度T1与空闲宽度(T2一T1)相同，输出信号的占空比为50％；当加速度为1g时，信号宽度T1与空闲宽度(T2一 T1)的比值为5：3，输出信号的占空比为62．5％。

1．3 ADXL202的典型应用

ADXL202传感器最重要的应用之一是倾斜度的测量。在进行倾斜度测量时，需要让传感器的敏感轴(x轴)与重力方向垂直。如果与重力方向平行，物体倾斜对于加速度数据的影响可以忽略不计。图4所示为加速度测量的原理图。



当ADXL202与重力矢量垂直时，其输出随倾斜度的变化大约为每度17．5 mg，当两者呈45°时，输出变化值仅为每度12．2 mg，分辨率降低。表1为倾斜角度与加速度变化的关系。



2 应用电路设计

2．1 硬件接口设计

LPC2103是一个支持实时仿真和跟踪的32位 ARM7TDMI—S CPU，并带有8 KB片内SRAM和32 KB嵌入的高速片内Flash内存。LPC2103具有LQFP48的较小封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC、2个外部中断、最多可达32个GPIO。通过可编程的片内PLL(可能的输入频率范围：10～25 MHz)可实现最高70 MHz的CPU时钟频率。ADXL202传感器与LPC2103的接口电路如图5所示。



ADXL202加速度传感器的T2经125 kΩ电阻接地，可以得到信号输出的周期为1 ms。13、14引脚接+5 V电源，XFILT和YFILT经O．1μF电容接地，用于设置50 Hz带宽。两路输出分别与LPC2103的PO．O和PO．2引脚相接，作为数据传输线。数据传输有两种方法，分别为普通GPIO口方式和定时器捕获中断方式。

2．2 普通GPIO口方式

由于传感器输出均为DCM信号，无论采用什么方式进行数据接收，都需要定时器／计数器工作，对DCM信号进行计时处理。因此，程序首先要对定时器进行初始化。然后分别对DCM信号的高电平和低电平持续时间进行计时，得到T1、T2的值，再进行加速度计算。由于默认情况下GPIO均为普通I／0方式，所以开始不用设置PIN—SEL寄存器。普通GPIO口方式程序如下：



普通GPIO口方式的程序比较简单，虽然程序的执行需要时间，但由于LPC2103的主频可以达到40 MHz，执行几条指令只需几微秒，所以产生的误差会很小。但普通GPIO方式程序执行时，CPU一直在等待上升沿或下降沿的到来，大大降低了CPU的使用效率。可以使用图5所示Xout与LPC2103的接口方式。

2．3 定时器捕获中断方式

如图5所示，Yout与 LPC2103的PO．2引脚相接，利用P0．2的功能复用，可以实现定时器捕获中断方式接收传感器数据。主要程序段如下：




中断处理程序运行之后，得到的信号周期应为T2=t1+t2。故加速度为(((fp32)t1／((fp32)t2+(fp32)t1))一 O．5)*8。使用中断服务程序大大提高了CPU的使用效率，但程序较为复杂，并且占用了一个中断向量通道。