ADXL202在車載導航系統(tǒng)中的原理應用

　　隨著定位導航技術的飛速發(fā)展和日臻成熟，車載導航系統(tǒng)在相關領域得到了越來越廣泛的應用。車載導航系統(tǒng)的功能是幫助用戶確定車輛位置并提供正確的操縱指示，因此定位的精確程度成為衡量一套系統(tǒng)性能優(yōu)劣的重要指標。目前，常用的定位手段有 GPS衛(wèi)星定位、慣性導航定位和組合導航定位等。本文介紹的基于加速度傳感器ADXL202的定位方法是慣性導航定位中的一種。在車載導航系統(tǒng)中，加速度傳感器完成數(shù)據(jù)采集任務，獲得車輛瞬時加速度值，然后由推算定位法（dead reckoning）計算出當前位置相對于已知參考位置之間的偏移，從而得到車輛的絕對位置。在短時間內，利用這種方法得到的定位精度很高，例如：在平均加速度28.4mg的情況下，10s鐘范圍內，得到的定位誤差大約是0.5m，與GPS單點平均定位誤差15m―20m相比，是微不足道的；但是可以想象，由于時間的增加，誤差積累效應會越來越大，嚴重影響導航的精度。因此，加速度傳感器通常和GPS一起組合成為組合導航系統(tǒng)，以提高定位精度，增強系統(tǒng)性能。

　　ADXL202工作原理

　　ADXL202是Analogy Devices公司出品的一款雙軸加速度測量系統(tǒng)，模擬輸入，可測量動態(tài)加速度和靜態(tài)加速度，輸出為周期可調的脈寬調制信號，可以直接與單片機或計數(shù)器連接。并且具有性能高、準確度高、功耗低的特點（輸入電流小于0.6mA）。

　　ADXL202 有很廣泛的應用。主要用于慣性導航、傾斜感應、地震監(jiān)控及汽車保險等領域。ADXL202集成度高、結構簡單，為一單片集成電路，其內部包含多晶硅表面微處理傳感器和信號控制電路以實現(xiàn)開環(huán)加速度測量結構。與其它加速度計相比較，ADXL202可在很大程度上提高工作帶寬，降低噪聲影響，零重力偏差和溫度漂移也相對較低。它的結構框圖如圖1所示：

　　ADXL202傳感器是由震蕩器，X、Y方向傳感器，相位檢波電路以及占空比調制器組成（如圖1所示），而且使用簡單，具有數(shù)字輸出接口和模擬電壓信號輸出接口。

　　X、Y方向傳感器是兩個相互正交的加速度傳感器。這兩個傳感器同時工作，可以測量動態(tài)變化的加速度和恒定的加速度。ADXL可以測量正、負兩個方向的加速度，而且具有很廣的測量范圍，可以測量 2g/ 10g的加速度。圖2表明，ADXL202相對于地平面方向變化時，X、Y方向對應不同的輸出，從而可以計算出恒定的加速度。

　　傳感器之后，級連相位檢波器，主要是用來修正信號，并對信號的方向做出判斷。

　　從檢波器輸出的信號，通過一個32K 的電阻來驅動占空比調制器。我們可以通過在XFILT和YFILT 引腳外接電容CX和CY來改變帶寬。外接電容對于濾除噪聲和抑制零點漂移都有好處。

　　信號通過低通濾波器之后，占空比調制器把信號轉換為數(shù)字信號輸出。通過T2腳的外接電阻可以改變T2的周期（0.5ms 到10ms），這很適合于在精度要求不同的場合下使用。

　　輸出的占空比信號通過計數(shù)器可以計算出占空比。加速度的計算可以通過公式（1）得到。

　　A(g)=(T1/T2-0.5)/12.5%..........................(1)

　　例如，當加速度為0g時，信號寬度T1與空閑寬度（T2－T1）相同，輸出信號的占空比為50％；當加速度為1g時，信號寬度T1與空閑寬度（T2－T1）的比值為5：3，輸出信號的占空比為62.5％。

　　ADXL202還可以直接輸出模擬信號，模擬信號經過A/D轉換處理也可得到加速度值。

　　基于ADXL202的組合車載導航系統(tǒng)設計

　　本文介紹的車載導航系統(tǒng)主要是采用加速度傳感器和GPS接收機作為信號源進行組合導航。由嵌入式微處理器EP7312作為車載導航的核心處理器，為整個系統(tǒng)的正常運轉提供一個工作平臺，集中處理來自加速度傳感器ADXL202和GPS接收機ITRAX02的定位信號，處理后的結果通過地圖匹配算法定位到電子地圖上，并經LCD屏輸出顯示、定時更新。整個導航系統(tǒng)結構框架如圖2所示：

      加速度傳感器ADXL202測量車輛在二維平面X和Y方向的加速度值，以脈寬調制信號的形式輸出，經過CPLD得到占空比值（即T1/T2），并觸發(fā)中斷，把比值送入處理器。經過2次積分運算得到相對位移，緩存在內存中；同時，GPS接收機ITRAX02接收基于無線的衛(wèi)星導航載波信號，解調后通過串行接口將信號幀送入嵌入式微處理器，由微處理器按照規(guī)定的傳送協(xié)議進行信息提取，從而獲得二維平面位置、海拔高度、星歷時間、誤差分析等數(shù)據(jù)，并進行緩存。得到相對位移和GPS定位數(shù)據(jù)后，微處理器EP7312將相對位移數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)通過分布式數(shù)字卡爾曼濾波方式融合在一起，得到精度比較高的定位信息，并采用地圖匹配算法在電子地圖上標繪出當前位置，通過對L CD屏的刷新，將定位、導航信息及時提供給用戶。該系統(tǒng)使用加速度傳感器和GPS作為數(shù)據(jù)源進行組合導航，既可以發(fā)揮加速度傳感器短期定位精度高、自主導航不受外界干擾的優(yōu)勢，又可以發(fā)揮GPS導航長期定位穩(wěn)定，使用簡單的優(yōu)勢，減少了誤差積累帶來的影響，提高了系統(tǒng)性能。

　　CPLD設計

　　在應用車載導航系統(tǒng)中，不可避免的會遇到雷雨天氣，以及山嶺洼地等路徑，這樣的條件，自然會對GPS信號產生嚴重的干擾。為了減少定位的不準確，在使用GPS接收機定位的同時，利用加速度傳感器來進一步定位。 CPLD主要實現(xiàn)兩路信號占空比的計算。

　　CPLD的處理過程如圖3所示：

　　記數(shù)控制器用于對分頻器進行控制，使分頻器的輸出信號頻率為傳感器輸出頻率的1000倍。由分頻器輸出的信號對傳感器輸出信號進行采樣，統(tǒng)計一個周期內采樣值為1的個數(shù)，并保存在緩存中。

　　計數(shù)器記滿之后，觸發(fā)中斷，通知CPU讀取數(shù)據(jù)。

　　為了低功耗考慮，通過使能信號EN來控制整個CPLD是否工作。EN信號可以由EP7312的GPIO口控制。

　　應用軟件設計

　　我們在Windows CE操作系統(tǒng)平臺上開發(fā)導航程序。Windows CE是Microsoft Windows公司出品的小型的、基于ROM的、具有Win32子集API的操作系統(tǒng)，與其它嵌入式操作系統(tǒng)相比較，具有較強的內存管理、文件管理和 GUI功能。而車載導航系統(tǒng)中，對于顯示地圖調度、用戶交互界面都有很高的要求。因此，基于Windows CE開發(fā)應用程序是非常合適的。

　　車載導航系統(tǒng)應用程序是一個多任務程序，啟動后，初始化與GPS接收機ITRAX02相連的處理器串口 1、與ADXL202相連的處理器串口2和與彩色LCD屏相連用于顯示車輛行駛位置的LCD控制器。作為中央處理器，EP7312實時監(jiān)聽串口1和串口2 中斷信號。當ADXL202的脈沖調制信號經由CPLD換算為占空比值送入處理器，就會引發(fā)相應的串口中斷。

　　EP7312檢測到中斷信號時，由中斷控制器判斷找到相應中斷服務程序的入口地址，調用程序進行處理；當GPS接收到一幀衛(wèi)星信號時，也引發(fā)相應的串口中斷，由中斷控制器判斷找到相應中斷服務程序的入口地址，調用程序進行處理。處理占空比值的中斷服務程序首先緩沖接收到的數(shù)據(jù)，濾波后經過兩次積分得到一個周期內的相對位移，記錄下來退出，交出CPU使用權；處理GPS數(shù)據(jù)的中斷服務程序首先緩沖接收到的數(shù)據(jù)，按照事先約定的格式，從中提取方向和位置信息，記錄下來，退出并交出CPU 使用權。數(shù)據(jù)處理任務主要是將相對位移數(shù)據(jù)與GPS位置數(shù)據(jù)通過分布數(shù)字卡爾曼濾波方式融合在一起，彌補GPS數(shù)據(jù)定位精度不夠高的缺陷和加速度傳感器誤差積累的問題，以得到精度比較高的定位信息，退出并交出CPU使用權。地圖匹配任務被調用后采用地圖匹配算法把定位信息投影到電子地圖上，進行標繪，通過對LCD屏的刷新，將定位信息及時提供給用戶。應用程序流程如圖4所示。

　　目前，該系統(tǒng)已經設計完畢，進入最后的測試階段，經過一段時間的測試，硬件性能和軟件性能良好，是一種可行的設計思路。