基于传感器的角度测量系统设计

2015-01-26 11:40:25   来源:eechina   

关键字: 角度测量  双轴加速度传感器  ADXL202

在现代控制系统中,角度测量装置是非常关键的需要高精度的部件,其测量精度直接影响着整个系统的性能和精度。例如施工升降机上有角度测控机构来控制起降;火箭炮瞄准系统中都有大量的角度传感器,实时检测炮塔偏转角度,以便对火箭炮瞄准进行调整。目前已有的利用的加速度传感器实现高精度角度测量的研究,主要侧重于单轴的角度测量。本文将重点讨论利用双轴加速传感器ADXL202实现高精度角度测量的软硬件方法。
1 角度测量仪系统硬件方案设计
本角度测量仪采用STM32F107作为数据处理的核心芯片。这是一款低功耗、高速度的32位处理器,拥有Cortex-M3内核。角度测量模块使用的是高精度、低功耗的双轴加速度传感器ADXL202,能将加速度信号转换成数字方波信号输出,可直接与STM32F107连接,通过一定的算法即可计算出当前的倾斜角度。显示模块使用的是12864ZW型128×64的点阵液晶显示器,图1所示为角度测量仪硬件结构框图。

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图1 角度测量仪硬件结构框图

2 角度测量模块
角度测量模块使用的是ADI公司出品的低成本、低功耗、高精度的双轴加速度传感器ADXL202,其测量范围为-2g~+2g,既能测量动态加速度,又能测量静态加速度。它的工作电压是3.0~5.25 V,工作电流低于0.6 mA,最高主频可达到70 MHz,所以从功耗、灵敏度和精确度考虑,选择ADXL202作为角度测量模块的核心芯片。图2是它的功能结构框图。

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图2 ADXL202的功能结构框图

由图2可知,ADXL202是基于单片集成电路的完善的双轴加速度测量系统,对X、Y轴而言,输出环路将加速度信号转换为脉宽占空比的数字信号输出,这些数字信号可直接传输给STM32F107,无需A/D转换或其他附加的其他电路。
ADXL202由振荡器、X和Y轴传感器、相位解调器和脉宽占空比解调器组成,它的功能实现过程是,X、Y轴传感器受到加速度力后输出振幅变化的方波,输出方波的振幅与加速度成正比。相位解调器能够对输出的方波信号进行修正并提取信息,然后判断加速度方向。相位解调器的输出会经过一个低通滤波电路,可以通过改变滤波电容的大小来设置输出信号的带宽。经过低通滤波的模拟信号进入DCM,被转换为脉宽占空比信号输出。



       
2.1 角度测量模块硬件电路设计
为保证ADXL202高精度稳定的工作,需要根据芯片技术文档和实际使用情况,来配置信号周期、滤波电容(决定信号的带宽)。
ADXL202的输出信号是脉宽占空比调制信号,占空比T1/T2与被测加速度成正比。0g时,其输出为50%占空比,灵敏度为每g所引起的脉宽占空比变化12.5%。查阅芯片的技术文档,可以通过电阻RSET来设定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计算:
A(g)=(T1/T2-0.5)/12.5% (2)
表1是芯片的技术文档提供的RSET和T2配置表。我们选择125 kΩ的RSET,将周期T2设定为1 ms。

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ADXL202通过XFILT、YFILT外接电容CX、CY来设定ADXL202的带宽,这个带宽决定了它的测量精度,同时电容CX、CY可以去混叠和滤波。为了使脉宽占空比的误差最小,模拟带宽应比脉宽占空比的频率低1/10。对技术文档提供的表2进行分析,并考虑设定T2为1 ms,脉冲占空比频率为1 kHz,为满足实际需要和DCM误差最小的要求,选择0.05μF的滤波电容,此时模拟带宽为100 Hz。
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编辑:什么鱼
本文引用地址: http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0126/article_10714.html
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