基于傳感器的角度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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1 角度測量儀系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)
本角度測量儀采用STM32F107作為數(shù)據(jù)處理的核心芯片。這是一款低功耗、高速度的32位處理器，擁有Cortex-M3內(nèi)核。角度測量模塊使用的是高精度、低功耗的雙軸加速度傳感器ADXL202，能將加速度信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字方波信號輸出，可直接與STM32F107連接，通過一定的算法即可計(jì)算出當(dāng)前的傾斜角度。顯示模塊使用的是12864ZW型128×64的點(diǎn)陣液晶顯示器，圖1所示為角度測量儀硬件結(jié)構(gòu)框圖。
圖1 角度測量儀硬件結(jié)構(gòu)框圖
2 角度測量模塊
角度測量模塊使用的是ADI公司出品的低成本、低功耗、高精度的雙軸加速度傳感器ADXL202，其測量范圍為-2g～+2g，既能測量動(dòng)態(tài)加速度，又能測量靜態(tài)加速度。它的工作電壓是3.0～5.25 V，工作電流低于0.6 mA，最高主頻可達(dá)到70 MHz，所以從功耗、靈敏度和精確度考慮，選擇ADXL202作為角度測量模塊的核心芯片。圖2是它的功能結(jié)構(gòu)框圖。
圖2 ADXL202的功能結(jié)構(gòu)框圖
由圖2可知，ADXL202是基于單片集成電路的完善的雙軸加速度測量系統(tǒng)，對X、Y軸而言，輸出環(huán)路將加速度信號轉(zhuǎn)換為脈寬占空比的數(shù)字信號輸出，這些數(shù)字信號可直接傳輸給STM32F107，無需A/D轉(zhuǎn)換或其他附加的其他電路。
ADXL202由振蕩器、X和Y軸傳感器、相位解調(diào)器和脈寬占空比解調(diào)器組成，它的功能實(shí)現(xiàn)過程是，X、Y軸傳感器受到加速度力后輸出振幅變化的方波，輸出方波的振幅與加速度成正比。相位解調(diào)器能夠?qū)敵龅姆讲ㄐ盘栠M(jìn)行修正并提取信息，然后判斷加速度方向。相位解調(diào)器的輸出會(huì)經(jīng)過一個(gè)低通濾波電路，可以通過改變?yōu)V波電容的大小來設(shè)置輸出信號的帶寬。經(jīng)過低通濾波的模擬信號進(jìn)入DCM，被轉(zhuǎn)換為脈寬占空比信號輸出。
2.1 角度測量模塊硬件電路設(shè)計(jì)
為保證ADXL202高精度穩(wěn)定的工作，需要根據(jù)芯片技術(shù)文檔和實(shí)際使用情況，來配置信號周期、濾波電容(決定信號的帶寬)。
ADXL202的輸出信號是脈寬占空比調(diào)制信號，占空比T1/T2與被測加速度成正比。0g時(shí)，其輸出為50%占空比，靈敏度為每g所引起的脈寬占空比變化12.5%。查閱芯片的技術(shù)文檔，可以通過電阻RSET來設(shè)定DCM的周期：
T2=RSET/125 MΩ (1)
在X、Y方向上的加速度分量值可由下式計(jì)算：
A(g)=(T1/T2-0.5)/12.5% (2)
表1是芯片的技術(shù)文檔提供的RSET和T2配置表。我們選擇125 kΩ的RSET，將周期T2設(shè)定為1 ms。
ADXL202通過XFILT、YFILT外接電容CX、CY來設(shè)定ADXL202的帶寬，這個(gè)帶寬決定了它的測量精度，同時(shí)電容CX、CY可以去混疊和濾波。為了使脈寬占空比的誤差最小，模擬帶寬應(yīng)比脈寬占空比的頻率低1/10。對技術(shù)文檔提供的表2進(jìn)行分析，并考慮設(shè)定T2為1 ms，脈沖占空比頻率為1 kHz，為滿足實(shí)際需要和DCM誤差最小的要求，選擇0.05μF的濾波電容，此時(shí)模擬帶寬為100 Hz。
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