多MEMS傳感器的嵌入式姿態測量系統設計

摘要：針對姿態測量在低成本、低功耗、微型化應用中的需求，設計了三軸MEMS陀螺儀、加速度計、電子羅盤與嵌入式技術相結合的姿態測量系統。介紹了系統的組成結構，設計了嵌入式姿態測量硬件電路，并實現了基于姿態計算DCM算法的程序。上位機演示表明，系統的姿態測量結果準確、動態效果好。
關鍵詞：姿態測量；MEMS傳感器；嵌入式技術

引言
傳統的姿態測量因為采用高精度陀螺儀和加速度計等姿態傳感器，體積龐大并且價格昂貴。當前MEMS產品因其體積小、價格低、功耗低，被稱為是傳統的慣性測量組合的一次重大改革，越來越多地應用于姿態測量應用中。并且，隨著MEMS技術的迅速發展以及向各個學科領域的滲透，它的各方面性能如精度、魯棒性、動態響應等都得到了巨大的提高。
隨著嵌入式技術的不斷發展，以應用為中心的嵌入式系統由于體積小、功耗低、可靠性高、可裁減性好、軟硬件集成度高，已經滲入到我們日常生活的各個方面，在各行各業中都得到了應用。而嵌入式與MEMS的結合使姿態測量系統滿足了低成本、低功耗、微型化的應用需求，給消費電子領域帶來了巨大進步，如智能手機中的重力感應與指南針，同時給航空、工業、汽車、醫療、環境監控、通信等領域帶來了十分廣闊的應用前景。
本文采用三軸MEMS陀螺儀、三軸MEMS加速度計及三軸MEMS電子羅盤與Freescale單片機MC9S08QE8組成一個嵌入式姿態測量系統。陀螺儀由于動態性能好，用于獲取實時姿態信息。但陀螺儀因為會產生偏移，而加速度計與電子羅盤因其靜態性能比較優越，所以用來對陀螺儀姿態計算過程中的誤差進行修正。

1 系統組成和結構
本系統主要由單軸陀螺儀LY530AL、雙軸陀螺儀LPR530AL、三軸MEMS加速度計ADXL345、三軸MEMS電子羅盤HMC5843及單片機MC9S08QE8組成。其中X、Y方向的雙軸陀螺儀與Z軸方向的單軸陀螺儀組合成三軸陀螺儀，它們的信號由單片機MC9S08QE8的ADC模塊進行采集，而加速度信號和電子羅盤信號則通過I2C總線傳送到單片機。這9路信號在單片機中首先經過前期的處理，而后由單片機中的姿態計算算法程序獲取3個姿態角信息，這3個信息通過單片機MC9S08QE8的串口模塊傳送到上位機進行演示，嵌入式姿態測量系統結構框圖如圖1所示。

1．1 三軸MEMS陀螺儀
系統中三軸MEMS陀螺儀由ST公司的單軸Z方向的陀螺儀LY530AL和雙軸X、Y方向的陀螺儀LPR530AL組合而成。它們采用電容式微機械陀螺儀原理，由于ST公司選用了音叉方法，并且振動驅動電路采用了雙閉環的控制結構，顯著地提高了陀螺儀的穩定性和分辨率。測量范圍達±300°／s，擁有自測功能，輸出端集成了低通濾波電路，工作電壓為1．8～3．6 V，待機模式電流小于1μA。
1．2 三軸MEMS加速度計
系統中三軸MEMS加速度計選用ADI公司的ADXL345。ADXL345是基于iMEMS技術的三軸、數字輸出加速度傳感器，具有±2g、±4g、±8g、±16g可變的測量范圍。芯片內帶的32級FIFO存儲可以緩存數據，從而減輕處理器的負擔并降低了系統功耗。ADXL345具有較高的分辨率與靈敏度、3 mm×5 mm×1 mm超小封裝、40～145μA超低功耗及標準的I2C或SPI數字接口，非常適合于移動設備的應用。
1．3 三軸MEMS電子羅盤
系統中的三軸MEMS電子羅盤采用霍尼韋爾公司的HMC5843，它采用霍尼韋爾公司的各向異性磁阻(AMR)技術，由霍尼韋爾高精度的HMC11 8X系列磁阻傳感器組成，在低強度磁場傳感器中具有較高的靈敏度和可靠性。2．16～3．3 V的低電壓供電、0．66 mA電流功耗，以及3mm×3 mm×0．9 mm的小體積，在消費電子設備、導航系統中擁有明顯的優越性。
1．4 單片機MC9S08QE8
系統中單片機采用Freescale公司的MC9S08QE8。MC9S08QE8采用了眾多新技術，如電池壽命、延長技術、增強型的低功耗性能以及超低電壓下的高級運行能力等。同時具有極高的集成度，集成了很多系統級功能，如12位高精度A／D轉換器、定時器、SPI、I2C、SCI等常用模塊，非常適合低功耗、低成本的應用。

2 應用電路設計
2．1 電源模塊
本系統的電源穩壓電路為整個系統所有設備供電，考慮到系統中涉及數字型和模擬型傳感器，采用了低噪音、低漂移、供電電壓為3．3 V的線性穩壓芯片MIC5205。電源穩壓電路原理圖如圖2所示。其中，C1是連接芯片內部電壓參考源與GND的電容，用來減少輸出電壓的噪音，而C2作為輸出與GND的電容，用來防止電路產生振蕩。C2的電容大小與C1有關，但當C1為470 nF時，C2一般為2．2μF。D1為電源的指示燈。