基于三軸加速度計的傾斜角傳感器的研究與設計

為實現高精度全擺幅傾斜測量就必須把兩軸加速度傳感器垂直放置，一個傳感方向與重力方向垂直，一個傳感方向與重力方向平行。運用此方法測量傾斜角。加速度傳感器測量結果為：

此時θ為單方向上全擺幅、高精度傾斜角度。運用兩軸加速度傳感器無法解決傾斜角測量中全方位和全擺幅不能共同實現的矛盾。所以為測量一個全方位，全擺幅的傾斜角就必須使用三軸加速度計。
運用三軸加速度計測量傾斜角就必須把測量范圍分為兩檔，一檔為傾斜角為-π／4～π／4，二檔為傾斜角為(-π／2～-π／4)＆(π／4～π／2)。當傾斜角度在±π／4之間時，， 這里以F(θz)的值作為劃分檔次的依據。在一檔中F(θx)，F(θy)的分辨率很高，此時相當于運用一個兩軸加速度傳感器測量全方位，低擺幅傾斜角，運用式(15)可以計算傾斜角。在二檔中F(θz)的分辨率都很高，此時相當于運用一個一軸加速度傳感器測量全方位，高傾斜角度的傾斜角，運用式(1)可以計算傾斜角。

2 SCA3000
傳感器的微型化、智能化、低功耗是當今傳感器發展的必然趨勢，微電子機械系統技術(MicroElectro，Mechanical Systems，MEMS)是傳感器微型化發展道路上的一項重要技術。SCA3000-D1是VTI公司的全數字化三軸加速度計，量程±2g，電源電壓3．3 V，64組緩沖存儲器記錄數據，在系統一級上面，有先進的性能和有效節能方式，頻率響應可選，SPI數字串口通信，抗沖擊力強，可以應用于許多惡劣的條件下。

2．1 傳感器前端
前端單元采用了耐用、穩定、低功耗和噪聲的電容傳感器，這個前端單元包含三個加速度傳感塊。由于結構原因，三個加速度傳感塊傳感方向與直角坐標成45°角，所以在接口電路模塊中有一個匹配處理，加速度導致電容變化接著在信號調理電路中轉化為電壓變化。
2．2 接口電路
傳感單元連接一個電容電壓轉換器，接下來在模擬領域校準，信號通過ADC轉換器轉換為數字信號，ADC信號被分離成三個信號處理通道，經過低通濾波器和驟減。之后，信號配合上直角坐標系和傳輸給輸出寄存器。在一般測量中，加速度數據能夠通過串行總線SPI讀出。

3 硬件設計
在此運用ARM7微控制器LPC2210和三軸加速度計SCA3000測量數據。運用ZLG7290控制LED顯示傾斜角度，保留一組SPI接口用于擴展功能。
如圖5所示，LPC2294通過SPI總線連接SCA3000，通過I2C總線連接ZLG7290，開關S1，S2，S3，S4用做校準功能使用，具體運用后面介紹。

SPI是一個全雙工的同步串行接口，一個SPI總線可以連接多個主機和多個從機，但是在同一時刻只允許一個主機操作總線，總線上只能有一個主機和一個從機通信。SPI總線一般由3～5根線組成，如圖5所示為經典的4線SPI連接電路，一個主機連接兩個從機，主出從進(Master Out Slave In，MOSI)，主入從出(Master In Slave Out，MISO)，串行時鐘(Serial ClocK，SCK)，片選(Chip Select，CSB)低有效，工作時SSO，SSl只能有一個為低。主機一般為微控制器產生串行時鐘，從機接收時鐘。SCA3000一般作為從機組成一個系統。