基于STM32的新型角度测量系统设计

3 数据处理模块

STM32F107采 用的是ARM Cortex—M3内核，工作电压为3.3 V，时钟频率达到72 MHz。该芯片系统资源和外围接口丰富，内部集成专用时钟、复位以及电源管理模块，支持多种工作模式。由于STM32F107芯片的性能、成本和功耗方面 的特点，选择它作为数据处理模块。更重要的是STM32F107的定时器除了TIM6和TIM7，都有输入捕获功能。

3.1 输入捕获功能应用于角度测量的工作原理

以 TIM2定时器实现输入捕获功能为例。TIM2有4个独立通道，通过检测TIM2_CH1通道上的边沿信号，在边沿信号发生跳变(比如上升沿/下降沿)的 时候，将当前定时器的值存放到TIM2_CH1的捕获/比较寄存器里面，完成一次捕获。这就是STM32F107所具有的输入捕获功能。

将 ADXL202的Xout、Yout引脚输出接到STM32F107的34、35引脚(PA0、PA1)上，由STM32F107的原理图可知，34、 35引脚控制TIM2_CH1和TIM2_CH2两个通道。用TIM2_CH1来捕获Xout的数字方波信号的高电平脉冲，首先配置此通道的输入捕获为上 升沿检测。当检测到上升沿时，进入中断将计数器清零重新开始计数，并配置通道的输入捕获为下降沿捕获;当检测到下降沿时，进入中断读取计数器的值，由计数 值和计数频率可得到高电平的脉宽，即T1。然后通过以下两个公式：

A(g)=(T1/T2-0.5)/12.5% (6)

α=sin-1(Ax/g)， β=sin-1(AY/g) (7)

计算得出当前的倾角，之后将结果传输给液晶显示屏显示结果。式中T2=1 ms。此处仅讨论芯片水平放置时的情况，当芯片垂直放置时，用式(5)即可。

3.2 采集和处理数据的方法

ADXL202 有两路输出信号Xout、Yout，而且它们是同时工作的，而STM32F107是顺序处理器，一个时间点上只能处理一路信号。我们采用分时复用的方法解 决，以1 s为时间点，在这1 s内，STM32F107只采集处理一条通道内的信号和数据，到下一秒时就采集处理另一条通道上的信号和数据。还应该注意一个问题，计数器在检测到上升沿 时开始计数，等下降沿到来停止计数的时间内，脉宽过长时计数器会发生溢出，所以必须记录下溢出次数。在最后计算计数器的值时，将溢出次数乘以计数器的宽度 加上当前计数器的值，即为总的计数值。

4 角度测量仪系统的程序设计

使用STM32F107的输入捕获功能，需要通过程序配置内部寄存器的初始状态，以此来满足角度测量仪的工作需求。

①开启GPIO和TIM2的时钟，通过内部的库函数RCC_APB2PeriphClockCmd、RCC_APB1PeriphClockCmd来控制两个时钟的开启。为了采集TIM 2_CH1和TIM2_CH2上的高电平脉宽，需配置PA0和PA1为下拉输入。

②初始化TIM2，设定TIM2的输入捕获自动重装载值为0xfffe，计数频率为1 MHz。

③使能输入捕获、中断、计数器，通过STM32F107的库函数能方便地配置。

由角度测量和输入捕获原理可得系统的程序流程图，如图7所示。

图7 系统程序流程图

5 调试和测量结果

在 室温下进行调试。当角度测量仪没有倾斜时，液晶屏上显示的结果并不为零，其原因是ADXL202安装无法完全水平。芯片安装后本身存在倾角，这是不可避免 的。虽然调试环境是在室温下，但是实际使用的环境可能是温度变化较大的场合，零漂和灵敏度随温度的漂移将会很严重，直接测量时会导致很大的角度误差，因 此，必须采取某种形式的温度补偿方法来解决。

当角度测量仪有倾斜时，测量结果与实际值有较大误差。经分析是输入捕获的计数器有误差。经将干扰和毛刺计数进来，所以应该添加滤波电路，同时计数器的值采用多次计数取平均值的方法，以此提高计数的精度。

角度测量仪的测量结果如图8所示。

图8 角度测量仪的测量结果

结语

本文论述了一种基于ADXL202的高精度角度测量仪的研究和设计方法，对ADXL202的角度测量原理和STM32F107的输入捕获功能进行了详细的介绍。经实验测试，该测量仪能高精度地完成角度测量，而且可靠性好，对角度测量的研究和设计有着积极的意义。