基于双轴加速度传感器的新型角度测量系统设计

作者: admin 分类: 房产 发布时间: 2019-07-18 10:53

在现代控制系统中,角度测量装置是非常关键的需要高精度的部件,其测量精度直接影响着整个系统的性能和精度。例如施工升降机上有角度测控机构来控制起降;火箭炮瞄准系统中都有大量的角度传感器,实时检测炮塔偏转角度,以便对火箭炮瞄准进行调整。目前已有的利用的加速度传感器实现高精度角度测量的研究,主要侧重于单轴的角度测量。本文将重点讨论利用双轴加速传感器ADXL202实现高精度角度测量的软硬件方法。

1角度测量仪系统硬件方案设计

本角度测量仪采用STM32F107作为数据处理的核心芯片。这是一款低功耗、高速度的32位处理器,拥有Cortex-M3内核。角度测量模块使用的是高精度、低功耗的双轴加速度传感器ADXL202,能将加速度信号转换成数字方波信号输出,可直接与STM32F107连接,通过一定的算法即可计算出当前的倾斜角度。显示模块使用的是12864ZW型12864的点阵液晶显示器


2角度测量模块

角度测量模块使用的是ADI公司出品的低成本、低功耗、高精度的双轴加速度传感器ADXL202,其测量范围为-2g~+2g,既能测量动态加速度,又能测量静态加速度。它的工作电压是3.0~5.25 V,工作电流低于0.6 mA,最高主频可达到70 MHz,所以从功耗、灵敏度和精确度考虑,选择ADXL202作为角度测量模块的核心芯片。图2是它的功能结构框图。


图2 ADXL202的功能结构框图


由图2可知,ADXL202是基于单片集成电路的完善的双轴加速度测量系统,对X、Y轴而言,输出环路将加速度信号转换为脉宽占空比的数字信号输出,这些数字信号可直接传输给STM32F107,无需A/D转换或其他附加的其他电路。

ADXL202由振荡器、X和Y轴传感器、相位解调器和脉宽占空比解调器组成,它的功能实现过程是,X、Y轴传感器受到加速度力后输出振幅变化的方波,输出方波的振幅与加速度成正比。相位解调器能够对输出的方波信号进行修正并提取信息,然后判断加速度方向。相位解调器的输出会经过一个低通滤波电路,可以通过改变滤波电容的大小来设置输出信号的带宽。经过低通滤波的模拟信号进入DCM,被转换为脉宽占空比信号输出。

2.1角度测量模块硬件电路设计

为保证ADXL202高精度稳定的工作,需要根据芯片技术文档和实际使用情况,来配置信号周期、滤波电容(决定信号的带宽)。

ADXL202的输出信号是脉宽占空比调制信号,占空比T1/T2与被测加速度成正比。0g时,其输出为50%占空比,灵敏度为每g所引起的脉宽占空比变化12.5%.查阅芯片的技术文档,可以通过电阻RSET来设定DCM的周期:

T2=RSET/125 M(1)

在X、Y方向上的加速度分量值可由下式计算:

A(g)=(T1/T2-0.5)/12.5% (2)

表1是芯片的技术文档提供的RSET和T2配置表。我们选择125 k的RSET,将周期T2设定为1 ms.



ADXL202通过XFILT、YFILT外接电容CX、CY来设定ADXL202的带宽,这个带宽决定了它的测量精度,同时电容CX、CY可以去混叠和滤波。为了使脉宽占空比的误差最小,模拟带宽应比脉宽占空比的频率低1/10.对技术文档提供的表2进行分析,并考虑设定T2为1 ms,脉冲占空比频率为1 kHz,为满足实际需要和DCM误差最小的要求,选择0.05F的滤波电容,此时模拟带宽为100 Hz.



引脚连接的规范:13、14是两个电压输入引脚VDD,直接与5 V电源连接,同时连接退耦电容CDC,推荐使用0.1F;4、7是两个接地引脚COM,直接接地;2脚VTP保持开路,不与其他任何引脚相连;3脚ST是自检输入端,当接VDD时能检查加速度计的功能,平时该引脚开路,也可与COM相连。引脚配置如图3所示。


图3 ADXL202引脚配置

根据芯片的引脚配置图和以上的各类配置,可以设计角度检测模块的硬件电路,其电路原理如图4所示,其脉冲输出端直接与STM32F107的I/O口相连。


图4角度采集原理图

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