采用雙軸加速度傳感器的斜度測量系統設計

一、引言

微機械慣性器件是微機電系統重要的研究內容，微慣性器件包括微陀螺和微加速度傳感器。采用微機電技術制造的微加速度傳感器在壽命、可靠性、成本、體積和重量等方面都要大大優于常規的加速度傳感器，使得其無論在民用領域，還是在軍用領域都有著廣泛的應用。本文就是采用美國ADI公司出品的低功耗，功能完善的雙軸加速度傳感器。ADXL202E作為斜度測量的傳感器，給出了由ADXL202E與單片機AT89C52組成的斜度測量系統設計實例。

采用雙軸加速度傳感器的斜度測量系統設計

二、ADXL202E簡介

1、ADXL202E特點

ADXL202E是一種低成本、低功耗、功能完善的、集雙軸加速度傳感器于一體的單塊集成電路。它既可測量動態加速度，又可測量靜態加速度，其測量范圍為±2g。它既具有模擬信號輸出，又有脈寬占空比輸出。ADXL202E最大可承受1000g的劇烈沖擊。圖1為ADXL202E的引腳排列圖和引腳功能。

2、測量原理

ADXL202E是基于單塊集成電路的完善的雙軸加速度測量系統。它是一個以多晶硅為表面的微電機傳感器和信號控制環路來執行操作的開環加速測量結構。對每根軸而言，輸出環路將模擬信號轉換為脈寬占空比的數字信號。這些數字信號直接與微處理器接口。ADXL202E可測量正負加速度，其最大測量范圍為±2g。ADXL202E也可測量靜態加速度，可用作斜度測量。傳感器采用在硅片上經表面微加工的多晶硅結構，用多晶硅的彈性元件支撐它并提供平衡加速度所需的阻力。結構偏轉是通過由獨立的固定極板和附在移動物體上的中央極板組成的可變電容來測量的。固定極板通過方波的每p個相位控制。加速度計受到加速度力后改變了可變電容的平衡，使輸出方波的振幅與加速度成正比。而相位解調技術用來提取信息判斷加速方向。解調器的輸出通過32kW的固定電阻輸出到脈寬占空比解調器。這時，允許用戶改變濾波電容的大小來設置輸出信號的帶寬。這種濾波提高了測量的精度，并有效地防止頻率混疊。經過低通濾波后，模擬信號由DCM轉換為脈寬占空比信號。通過一個電阻RSET將T2設定在0.5ms～10ms范圍內。在0g加速度時使輸出占空比為 50%。加速度可由一計數/計時器或低功耗的微控制器通過測量T1，T2來測得。

模擬輸出信號可通過以下兩種方法獲得：一種從XFILT和YFILT 管腳得到；一種是通過RC濾波器對脈沖信號濾波后得到的dc 值推算。

采用雙軸加速度傳感器的斜度測量系統設計

三、斜度測量電路設計

1、濾波器設計

ADXL202E可以測量靜態加速度，也可以測量動態加速度，其最大測量帶寬為5000Hz。帶寬（W）是由低通濾波器的參數確定的。RFILT（濾波器阻值）可在額定值32kW的±25%范圍內變動，相應地帶寬也隨之變化。在本設計中RFILT為32kW。因此，加速度信號的帶寬則由XFILT和YFILT 引腳外接電容設定。電容必須安裝在緊靠引腳處，，用以混疊和抑制噪聲。3dB帶寬計算公式如下：

F（-3dB）= 1/2P［32kW×C（X， Y）］

即：F（-3dB）= 5mF/ C（X， Y）（1）

可見電容選取越小，信號帶寬越寬，分辨率越高。C（X，Y）為濾波器的電容值，主要確定帶寬C（X，Y）。另外，在任何情況下，C（X，Y）的最小電容值為1000pF 。在本設計中選定C（X，Y）為100nF，即加速度模擬信號帶寬為50Hz。

ADXL202E的噪聲特點是在所有頻率下都是同樣大的白色高斯噪聲，以mg/ 為單位，即噪聲與加速度信號帶寬平方根成正比。

ADXL202E的典型噪聲值可用以下公式計算：

Noise（rms）=（200mg/ ）× （2）

由于本設計中加速度信號帶寬為50Hz ，所以噪聲均方值為1.79mg。

故ADXL202E的XFILT和YFILT引腳接0.1mF電容使得模擬輸出帶寬為50Hz、輸出附帶噪聲為1.79mg。同時，ADXL202E的XFILT和YFILT引腳產生與斜度相對應的模擬信號。

ADXL202E感應的重力分量的變化在+1g和-1g之間。，在0g時有：

OFFSET（偏置帶）=2.5V±0.4V （5）

Sensitivity（靈敏度）=167 mV/g ±17 % （6）

2、DCM 的周期設定：

利用RSET設定DCM 的周期：有兩個通道的DCM的周期是通過電阻RSET來設定。計算公式為：T2=RSET（W）/125MW。器件可在周期0.5ms～10ms范圍內運行。在本設計中選定RSET為330kW，即DCM周期為2.64ms。 RSET 應安裝在靠近T2引腳處，以使分布電容最小。

3、模擬信號處理電路

由于ADXL202E內部32kW電阻的影響，使得XFILT和YFILT的模擬輸出驅動力不足，所以需要在XFILT和YFILT之后分別加上一個通過LM324運算放大器構成的跟隨器，用來增加驅動。再通過上面選定的元件參數可以得到ADXL202E的模擬信號圖，如圖2所示。

4、參數標定

在斜度測量時，重力系統是最穩定、最精確、應用最廣泛的參照系。使裝置的方向與水平面平行便可得到0g時的校準值。

由于器件參數的差異，芯片的基本參數、同一器件兩個不同軸向的參數也有差異。因此，當要求測量精度較高時，仍使用參數典型值就會引起誤差。

要提高測量的精度，就需要在測量前對相關參數進行認真校準。使用重力矢量做為參考的話，則要將測量范圍設定在1g和-1g之間。當X（Y）軸指向1g時，傳感器的輸出為最大值，記作A；當X（Y）軸指向-1g時，傳感器的輸出為最小值，記作B。則計算靈敏度Sensitivity公式為：

Sensitivity

（7）

采用雙軸加速度傳感器的斜度測量系統設計

四、單片機系統設計設計

單片機系統設計分為下位機和上位機兩個部分。下位機采用常用的AT89C52作為處理器，模數轉換采用具有10位精度的TLC1543作為A/D轉換器件，采用X5045作為看門狗芯片，穩壓源采用LM336。上位機采用Visual Basic 6.0進行設計，主要包括參數標定，實時監測界面設計兩個部分。

1、A/D轉換電路設計

ADXL202E感應的重力分量的變化在＋1g～-1g之間，而傳感器ADXL202E的供電電壓為+5V，所以輸出模擬量的線性變化在+2.1～+2.9V之間。為了不損失A/D轉換芯片TLC1543的采樣精度，在TLC1543的REF+端接+3V，REF-端接+2V。為了得到穩壓電源，需要采用LM336芯片，從而得到穩定電壓-5V，再通過運算放大器LM324組成負反饋放大電路，最終得到參考源所需要的+3V和+2V。其電路如圖4所示。

2、看門狗電路設計

系統采用串行X5045芯片作為看門狗芯片。該芯片上電時，當電源電壓超過4.5V，經過200mS的穩定時間后RESET由高電平變為低電平。掉電時，電源電壓低于4.5V時，RESET信號立刻變為高電平并一直保持到電源恢復到穩定為止。另外，EEPROM芯片內部還具有大小為4096位EEPROM，可以作為數據的掉電保護存儲空間。

采用雙軸加速度傳感器的斜度測量系統設計

五、上位機監測界面設計

上位機采用Visual Basic6.0進行設計。主要完成監測界面的設計，對串口數據的正確接收，包括對ADXL202E參數標定，監測曲線顯示等必要的功能。

圖3為設計后的監測平臺，從圖3中1處可以觀測到俯仰角和旋轉角隨時間變化的曲線；從圖3中3處可以觀測傳感器節點的斜度隨時間在±180°之間變化；從圖3中2處可以觀測到單位為mg的加速度變化，通過這個監測界面還可以實時的觀測傳感器節點由于振動等原因引起的輸出信號振蕩。從圖3中4處為監測平臺的控制面板，通過控制面板可以對傳感器參數進行標定，可以觀測傳感器實時輸出的數據。

對于測得的靜態加速度，需要將其轉化成相應的工程量，在這里主要分為兩種情況：

（1）雙軸加速度傳感器的X軸和Y軸測得的加速度值Ax和Ay可以通過如下公式轉換為傾斜度：

俯仰角

（8）