基于MEMS和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)慣性測(cè)量組件的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

首先簡(jiǎn)介ADISl6355AMLZ型MEMS的原理、構(gòu)成及應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，搭建一個(gè)硬件平臺(tái)，采用內(nèi)置USB控制器的AT89C513lA型單片機(jī)作為主控制器，控制ADISl6355AMLZ并采集、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。并對(duì)慣性測(cè)量組件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤測(cè)量、視頻監(jiān)控等各種實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)在工業(yè)、生活中應(yīng)用日益廣泛。然而在這些系統(tǒng)中存在一個(gè)共同問題；如何保持?jǐn)z像機(jī)的穩(wěn)定，處理在跟蹤過程中攝像機(jī)出現(xiàn)的抖動(dòng)。傳統(tǒng)的方法是采用預(yù)先建立的數(shù)學(xué)模型在后期進(jìn)行算法處理來糾正攝像機(jī)出現(xiàn)的抖動(dòng)誤差，然而這種情況下要求建立的數(shù)學(xué)模型相當(dāng)可靠，而實(shí)際處理產(chǎn)生的誤差也較大，雖然個(gè)別系統(tǒng)也采用慣性測(cè)量組件，但大都功能單一、精度較低。這里主要針對(duì)ADI公司生產(chǎn)的ADISl6355AMLZ在攝像穩(wěn)定中的作用，設(shè)計(jì)一個(gè)高精度的慣性測(cè)量組件系統(tǒng)。將其應(yīng)用在需要攝像穩(wěn)定的跟蹤、監(jiān)控?cái)z像機(jī)上，可以準(zhǔn)確記錄出現(xiàn)的抖動(dòng)誤差，有效提高測(cè)量精確度。

1、 ADISl6355AMLZ概述

1．1 ADISl6355AMLZ的基本原理

ADISl6355AMLZ是ADI公司生產(chǎn)的一款數(shù)字輸出、全溫校準(zhǔn)的高性能、微慣性測(cè)量系統(tǒng)。其輸出為SPI串行接口，提供3個(gè)角速率信號(hào)、3個(gè)線加速度計(jì)信號(hào)、溫度傳感器信號(hào)、電源電壓信號(hào)和1個(gè)輔助的模擬輸入。ADISl6355AMLZ是一種微機(jī)械陀螺儀，屬于振動(dòng)陀螺儀VG（Vibrat- ory Gymscope）。振動(dòng)陀螺儀的基本工作原理都是產(chǎn)生并檢測(cè)哥氏加速度，即利用哥氏效應(yīng)使陀螺的2個(gè)振動(dòng)模態(tài)間產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)換。哥氏加速度在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中表征加速度，與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)速率成比例。

1．2 ADISl6355AMLZ的基本構(gòu)成

ADISl6355AMLZ是ADI公司MEMS器件ADISl635X系列的角速度、加速度測(cè)量傳感器，其核心傳感器部件均采用iMEMs技術(shù)，屬于利用哥氏效應(yīng)的振動(dòng)陀螺儀。輸出零偏穩(wěn)定性為O．015（°）／s，角度隨機(jī)游走為4．2（°）／s，而其溫度系數(shù)則為O．008（°）／s／℃，因此適用于角度精度要求較高的場(chǎng)合。ADISl6355AMLZ提供一個(gè)串行外部接口SPI，可對(duì)器件進(jìn)行配置，獲得運(yùn)行狀態(tài)與測(cè)量結(jié)果等；對(duì)外部供電要求不高，內(nèi)部自帶高精度穩(wěn)壓電路，外圍電路較少。

2、 慣性測(cè)量組件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

這里主要利用ADISl6355AMLZ在攝像穩(wěn)定方面的重要作用，可有效校正攝像機(jī)在跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)過程中由于抖動(dòng)而產(chǎn)生的誤差，并能較好解決在跟蹤過程中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在攝像機(jī)視場(chǎng)中丟失的問題，與傳統(tǒng)的根據(jù)已建立的數(shù)學(xué)模型來處理目標(biāo)丟失現(xiàn)象相比，準(zhǔn)確度較高。

2．1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件電路主要包括AT89C513lA、K9F1G08UOM存儲(chǔ)器、ADISl6355AMLZ等。圖1為系統(tǒng)硬件框圖。

MCU控制器作為主控制器可直接控制慣性測(cè)量組件的工作狀態(tài)、數(shù)據(jù)采集，并將慣性測(cè)量組件采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到存儲(chǔ)器件內(nèi)，或通過USB接口直接傳入PC機(jī)處理。AT89C513lA是Atmel公司生產(chǎn)的基于80C52內(nèi)核的高性能8位單片CPU微處理器器件，片上集全速USB控制器和SPI接口，可方便地與陀螺儀器件連接，并通過USB接口將數(shù)據(jù)高速采集到PC機(jī)。K9F1G08UOM是三星公司的NAND Flash存儲(chǔ)器件，其容量為128 MB，在慣性測(cè)量組件高速采集的情況下可存儲(chǔ)至少4 h的連續(xù)采集數(shù)據(jù)量。其內(nèi)部存儲(chǔ)列為1 024塊。每塊分為64頁，1頁包含2 112字節(jié)，命令、地址、數(shù)據(jù)信息通過8條I／O線時(shí)分復(fù)用。可執(zhí)行2 K字節(jié)的頁編程操作和頁讀操作。

在該系統(tǒng)中，ADSl6355AMLZ作為從設(shè)備通過SPI接口與外界通信，輸出測(cè)得的三軸角速度、三軸加速度、三軸溫度、電壓值，外部CPU也可通過該接口設(shè)置ADISl6355AMLZ內(nèi)部寄存器，從而增強(qiáng)使用的靈活性。圖2為慣性測(cè)量組件的讀操作SPI時(shí)序圖。

從圖2中可看出，ADISl6355AMLZ的1次SPI傳輸包括16位數(shù)據(jù)。其中第l位是此次SPI傳輸?shù)淖x寫狀態(tài)標(biāo)識(shí)，第2位為O，接著的6特位是即將讀或?qū)懙?a href="http://srfitnesspt.com/tags/寄存器/" target="_blank">寄存器地址，最后的8位在寫操作時(shí)是將要寫入寄存器的數(shù)據(jù)，如果是讀操作則無效。完成ADISl6355AMLZ的1個(gè)讀操作需2次16位的 SPI通信，其中第1次是寫入將要讀取的寄存器地址，讀寄存器的內(nèi)容將在第2次SPI通信時(shí)出現(xiàn)在ADISl6355AMLZ的DOUT信號(hào)線上，輸入 SPI的主設(shè)備。

AT89C5131A內(nèi)置包含SPI接口，可方便地與ADISl6355AMLZ連接，通過SPI接口配置相應(yīng)的寄存器即可控制 ADISl6355AMLZ。由于該單片機(jī)為8位。其內(nèi)部寄存器也為8位。因此需對(duì)自身的SPI寄存器進(jìn)行2次寫操作，才能完成 ADISl6355AMLZ 1次SPI數(shù)據(jù)傳輸。該單片機(jī)內(nèi)含1個(gè)USB控制器，可向PC機(jī)高速傳輸數(shù)據(jù)。

2．2慣性測(cè)量組件系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件電路部分主要由內(nèi)置USB控制器的AT89C513l、NAND Flash器件K9F1G08UOM電路以及ADISl6355AMLZ組成，硬件接口如圖3所示。必須寫入相應(yīng)的命令才能順利執(zhí)行 ADISl6355AMLZ和NAND Flash的各種操作，南于數(shù)據(jù)線與地址線復(fù)用為8根線，因此地址、命令以及數(shù)據(jù)的輸入／輸出需要通過命令鎖存信號(hào)（CLE）和地址鎖存信號(hào)（ALE）共同控制從分時(shí)復(fù)用。

圖3中，I／O［7：0］：數(shù)據(jù)輸入／輸出端口，該信號(hào)與AT89C513l的AD［7：0］連接。寫使能信號(hào)。在其上升沿時(shí)，命令、地址和數(shù)據(jù)鎖存到相應(yīng)的寄存器中。該信號(hào)與AT89C513l的信號(hào)連接。：讀使能信號(hào)。在其下降沿時(shí)，輸出數(shù)據(jù)到I／O總線，同時(shí)，它還可以對(duì)內(nèi)部數(shù)據(jù)地址進(jìn)行累加。該信號(hào)與AT89C513l的信號(hào)連接。CLE：命令鎖存使能信號(hào)。當(dāng)CLE為高電平時(shí)，命令在上升沿通過I／O端口送入命令寄存器。該信號(hào)與 AT89C5131的P2．0引腳連接。ALE：地址鎖存使能信號(hào)。當(dāng)ALE為高電平時(shí)，地址在上升沿送入地址寄存器。該信號(hào)與AT89C513l的 P2．1引腳連接。：片選信號(hào)。用于控制設(shè)備的選擇，當(dāng)設(shè)備忙時(shí)為高電平而被忽略。當(dāng)處于編程和擦除操作時(shí)設(shè)備不能回到備用狀態(tài)。該信號(hào)與 AT89C513l的P2．2引腳連接。：準(zhǔn)備好／忙輸出。當(dāng)它為低電平時(shí)，表示編程、擦除和隨機(jī)讀操作正在進(jìn)行，在操作完成后返回高電平；當(dāng)該器件沒被選中或輸出禁止時(shí)，其為高電平。該信號(hào)與AT89C513l的P2．3引腳連接。ADISl6355-AMLZ外部主要通過SPI接口與 AT89C5131的SPI接口對(duì)應(yīng)相連。

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3、 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

USB總線具有速度快、連接簡(jiǎn)單快捷、無需外接電源、支持多設(shè)備連接等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這里選用的AT89C513lA單片機(jī)內(nèi)含 USB控制器，因此PC機(jī)通過USB口實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)或從Flash存儲(chǔ)器上統(tǒng)一采集數(shù)據(jù)。

Microsoft公司未提供適合于本系統(tǒng)USB接口的驅(qū)動(dòng)程序，因此需自行開發(fā)。該程序的功能是：當(dāng)USB設(shè)備連接到主機(jī)上時(shí)，主機(jī)可以發(fā)現(xiàn)新設(shè)備，然后建立連接并完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，也就是能夠讓W(xué)indows正常檢測(cè)和識(shí)別USB設(shè)備。采用Driver-Studio中的DriverWorks作為開發(fā)工具，開發(fā)WDM型的USB驅(qū)動(dòng)程序。圖4為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程。

4、 結(jié)束語

這里所設(shè)計(jì)的慣性測(cè)量組件系統(tǒng)主要采用基于哥氏效應(yīng)的ADISl6355 MEMS器件，測(cè)量運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的三軸角速度、加速度，采用內(nèi)含USB控制器的AT89C5131A微控器進(jìn)行控制，只需很少的外圍器件，即可獲得性能優(yōu)異、應(yīng)用靈活方便的慣性測(cè)量組件系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)既可將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集送回PC機(jī)處理，也可先將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Flash上，然后統(tǒng)一采集到PC機(jī)上處理，充分體現(xiàn)了系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性，并且稍加修改就可應(yīng)用在慣性測(cè)量組件的其他應(yīng)用領(lǐng)域中，具有較好的推廣前景。

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