雙軸加速度傳感器ADXL202及其應(yīng)用設(shè)計(jì)

引言

　　ADXL202是ADI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(dòng)態(tài)加速度和靜態(tài)加速度，測量范圍為±（2～10）g，輸出為周期可調(diào)的脈寬調(diào)制信號(hào)，可以直接與單片機(jī)或計(jì)數(shù)器連接。LPC2103為飛利浦公司的一款ARM7系列微控制器，主要用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制、POS機(jī)、通信網(wǎng)關(guān)等領(lǐng)域。本文使用LPC2103實(shí)現(xiàn)對(duì)ADXL202加速度數(shù)據(jù)的采集與處理。

1? ADXL202加速度傳感器

1.1? ADXL202的引腳定義及基本特性

　　ADXL202為單片集成電路，集成度高、結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)部包含多晶硅表面微處理傳感器和信號(hào)控制電路，以實(shí)現(xiàn)開環(huán)加速度測量結(jié)構(gòu)。與其他加速度計(jì)相比，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(duì)較低。圖1所示為ADXL202傳感器的引腳定義。

圖1? 引腳定義

　　ST： 自檢，用于控制芯片自檢功能。接VDD時(shí)，輸出占空比為10%的波形，說明芯片正常工作。
　　COM： 引腳4、7。使用時(shí)需將2個(gè)COM端接在一起并接地。
　　T2： 經(jīng)電阻RSET接地，調(diào)節(jié)輸出信號(hào)周期。輸出信號(hào)周期T2=RSET/（125 MΩs-1）。
　　VDD： 電源。工作電壓范圍為+3.0～+5.25 V，可經(jīng)過100 Ω的去耦電阻接電源。
　　XFILT、YFILT： 經(jīng)電容接地，用于改變帶寬、濾除噪聲和抑制零點(diǎn)漂移。
　　Xout、Yout: 輸出。

　　圖2為ADXL202傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖。ADXL202傳感器由振蕩器，X、Y方向傳感器，相位檢波電路以及占空比調(diào)制器組成，具有數(shù)字輸出接口和模擬電壓信號(hào)輸出接口。X、Y方向傳感器是2個(gè)相互正交的加速度傳感器，它們同時(shí)工作，可以測量動(dòng)態(tài)變化的加速度和恒定的加速度。傳感器之后級(jí)連相位檢波器，主要是用來修正信號(hào)，并對(duì)信號(hào)的方向做出判斷。檢波器輸出的信號(hào)，通過一個(gè)32 kΩ 的電阻來驅(qū)動(dòng)占空比調(diào)制器，通過在XFILT和YFILT 引腳外接電容CX和CY來改變帶寬。

圖2? 傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖

1.2? 測量數(shù)據(jù)的計(jì)算及處理

(1) 信號(hào)帶寬的計(jì)算通
　　過CX和CY來設(shè)定帶寬，在XFILT和YFILT引腳接上電容，通過低通濾波器來減少噪聲。3 dB帶寬的公式為：f=5 μF/C(x,y)(電容最小值為1 000 pF)

(2) 加速度的計(jì)算
　　輸出信號(hào)周期T2=RSET /(125 MΩs-1)，如圖3所示。

圖3? 占空比信號(hào)

　　信號(hào)通過低通濾波器之后，占空比調(diào)制器把信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出。通過T2引腳的外接電阻可以改變T2的周期（0.5～10 ms），這很適于在精度要求不同的場合下使用。輸出的占空比信號(hào)通過計(jì)數(shù)器可以計(jì)算出占空比。加速度的計(jì)算可以通過下式得到：

　　a=(T1/T2-0.5)/（12.5%）

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

1.3? ADXL202的典型應(yīng)用

　　ADXL202傳感器最重要的應(yīng)用之一是傾斜度的測量。在進(jìn)行傾斜度測量時(shí)，需要讓傳感器的敏感軸（x軸）與重力方向垂直。如果與重力方向平行，物體傾斜對(duì)于加速度數(shù)據(jù)的影響可以忽略不計(jì)。圖4所示為加速度測量的原理圖。

圖4? 加速度測量

　　當(dāng)ADXL202與重力矢量垂直時(shí)，其輸出隨傾斜度的變化大約為每度17.5 mg，當(dāng)兩者呈45°時(shí)，輸出變化值僅為每度12.2 mg，分辨率降低。表1為傾斜角度與加速度變化的關(guān)系。

表1? 傾斜角度與加速度變化的關(guān)系

2? 應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

2.1? 硬件接口設(shè)計(jì)

　　LPC2103是一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的32位ARM7TDMIS CPU，并帶有8 KB片內(nèi)SRAM和32 KB嵌入的高速片內(nèi)Flash內(nèi)存。LPC2103具有LQFP48的較小封裝、極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、8路10位ADC、2個(gè)外部中斷、最多可達(dá)32個(gè)GPIO。通過可編程的片內(nèi)PLL（可能的輸入頻率范圍：10～25 MHz）可實(shí)現(xiàn)最高70 MHz 的CPU 時(shí)鐘頻率。ADXL202傳感器與LPC2103的接口電路如圖5所示。

圖5? ADXL應(yīng)用電路圖

　　ADXL202加速度傳感器的T2經(jīng)125 kΩ電阻接地，可以得到信號(hào)輸出的周期為1 ms。13、14引腳接+5 V電源，XFILT和YFILT經(jīng)0.1 μF電容接地，用于設(shè)置50 Hz帶寬。兩路輸出分別與LPC2103的P0.0和P0.2引腳相接，作為數(shù)據(jù)傳輸線。數(shù)據(jù)傳輸有兩種方法，分別為普通GPIO口方式和定時(shí)器捕獲中斷方式。

2.2? 普通GPIO口方式

　　由于傳感器輸出均為DCM信號(hào)，無論采用什么方式進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，都需要定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作，對(duì)DCM信號(hào)進(jìn)行計(jì)時(shí)處理。因此，程序首先要對(duì)定時(shí)器進(jìn)行初始化。然后分別對(duì)DCM信號(hào)的高電平和低電平持續(xù)時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，得到T1、T2的值，再進(jìn)行加速度計(jì)算。由于默認(rèn)情況下GPIO均為普通I/O方式，所以開始不用設(shè)置PINSEL寄存器。普通GPIO口方式程序如下：

#define KEY 0x00000001//X軸加速度P0.0,前向加速度
T1PR=0;//預(yù)分頻為0，使得T1TC即為pclk個(gè)數(shù)
while((IOPIN&KEY)!=0);//下降沿或低電平跳出
while((IOPIN&KEY)==0);//上升沿或高電平跳出
T1TCR=0x03;//啟動(dòng)并復(fù)位T1TC
T1TCR=0x01;
while((IOPIN&KEY)!=0);//下降沿跳出,等下降沿來臨
t1=T1TC;//取此時(shí)計(jì)數(shù)器的值
T1TC=0x00;//復(fù)位計(jì)數(shù)器
while((IOPIN&KEY)==0);//上升沿跳出，等待上升沿的來臨
t2=T1TC;
T1TCR=0x00;//關(guān)閉定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1
a1=(((fp32)t1/((fp32)t2+(fp32)t1))-0.5)*8;//計(jì)算加速度

　　普通GPIO口方式的程序比較簡單，雖然程序的執(zhí)行需要時(shí)間，但由于LPC2103的主頻可以達(dá)到40 MHz，執(zhí)行幾條指令只需幾微秒，所以產(chǎn)生的誤差會(huì)很小。但普通GPIO方式程序執(zhí)行時(shí)，CPU一直在等待上升沿或下降沿的到來，大大降低了CPU的使用效率?？梢允褂脠D5所示Xout與LPC2103的接口方式。

2.3? 定時(shí)器捕獲中斷方式

　　如圖5所示，Yout與LPC2103的P0.2引腳相接，利用P0.2的功能復(fù)用，可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)器捕獲中斷方式接收傳感器數(shù)據(jù)。主要程序段如下：

#define ya 0x00000004//引腳功能初始化
PINSEL0=0x00000020; //設(shè)置引腳連接為定時(shí)器0的捕獲通道0
PINSEL1=0x00000000;//向量中斷設(shè)置
VICIntSelect=0x00000000;//設(shè)置所有中斷為IRQ中斷
VICVectCntl0=0x24;//定時(shí)器0中斷為最高優(yōu)先級(jí)
VICIntEnable=0x0010;//使能定時(shí)器0中斷定時(shí)器0初始化
T0PR=0;//預(yù)分頻為0，使T0TC即為pclk的個(gè)數(shù)
T0CCR=0x07;//置TIMER0的CAP0為上升、下降沿捕獲，觸發(fā)中斷
T0MR0=0xFFFFFFFF;//設(shè)置匹配值
T0TCR=0x03;//啟動(dòng)并復(fù)位T0TC
T0TCR=0x01;//中斷服務(wù)程序
void __irq time0(void) {
T0IR = 0x10;//復(fù)位定時(shí)器中斷標(biāo)志
if((IOPIN&ya)==0) {
t1=T0CR0;//讀取T0TC
T0TC=0x00;//復(fù)位T0TC
}
else if((IOPIN&ya)!=0) {
t2=TOCR0;//讀取TOTC
T0TC=0x00;//復(fù)位T0TC
}
VICVectAddr =0x00;//中斷處理結(jié)束
}

　　中斷處理程序運(yùn)行之后，得到的信號(hào)周期應(yīng)為T2=t1+t2。故加速度為(((fp32)t1/((fp32)t2+(fp32)t1))-0.5)*8。使用中斷服務(wù)程序大大提高了CPU的使用效率，但程序較為復(fù)雜，并且占用了一個(gè)中斷向量通道。

結(jié)語

　　ADXL202傳感器的應(yīng)用方法經(jīng)過驗(yàn)證完全可行，并且能夠達(dá)到較高的測量精度。由于集成度高，由ADXL202和ARM系列微控制器組成的系統(tǒng)完全可以用于汽車、火車等交通工具的安全控制系統(tǒng)。ADXL202在慣性導(dǎo)航、傾斜感應(yīng)、地震監(jiān)控及汽車保險(xiǎn)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，精度高、集成度高、功耗低等特點(diǎn)使之完全可以取代傳統(tǒng)的加速度傳感器。

參考文獻(xiàn)

[1] ?周立功 .ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)戰(zhàn) [M] . 北京:北京航空航天大學(xué)出版社 ,2003.
[2] ?ADI. Low Cost ±2g/10g Dual Axis iMEMS Accelerometers with Digital Output ADXL202/ADXL210 Technical Note,1999.

（收稿日期：2008-07-14）