數(shù)字式MEMS加速度傳感器在車載導(dǎo)航中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間:2008/5/29 0:00:00 訪問次數(shù):553
楊 暉，劉 欣，孫蓉霞
摘 要：提出一種基于數(shù)字式mems 加速度傳感器adxl 202je，設(shè)計(jì)了應(yīng)用此傳感器來判斷車輛是否位于高架上的全數(shù)字式裝置。分析了整個(gè)系統(tǒng)硬件的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際測(cè)量結(jié)果，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟件算法，并進(jìn)一步論述了提高測(cè)量精度的方法，最后通過實(shí)際車載實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。
關(guān)鍵詞：加速度傳感器；占空比調(diào)制；傾斜角測(cè)量
引言
隨著定位導(dǎo)航技術(shù)的飛速發(fā)展，車載導(dǎo)航系統(tǒng)在相關(guān)領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。車載導(dǎo)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作指示，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(biāo)。目前，隨著城市道路的發(fā)展，高架路日益成為城市交通的樞紐，因此如何對(duì)車輛是否位于高架上的定位成為了車載導(dǎo)航系統(tǒng)急需解決的問題。常用的gps 衛(wèi)星定位雖然可以測(cè)量高度，但是誤差卻在100m左右，無法達(dá)到高架一般幾米的要求，所以直接測(cè)量的方法是很難滿足的。
這里使用國外成熟的加速度計(jì)器件adxl 202je，通過測(cè)量車輛上下高架時(shí)的傾斜角變化，結(jié)合gps定位來判斷車輛是否位于高架上。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)
測(cè)量原理
adxl 202je采用先進(jìn)的mems技術(shù)，在同一硅片中刻蝕了一個(gè)多晶硅表面微機(jī)械傳感器，并集成了一套精密的信號(hào)處理電路，如圖1 所示。
圖1 adxl 202 功能結(jié)構(gòu)框圖
傳感器主要是由一個(gè)利用表面微機(jī)械加工的多晶硅機(jī)構(gòu)和一個(gè)差動(dòng)電容器組成。在加速度的作用下，多晶硅結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生偏移使電容值發(fā)生變化。在信號(hào)處理電路中(如圖1) ，差動(dòng)電容器的變化信號(hào)由解調(diào)器解調(diào)后通過一個(gè)rc 濾波器(由內(nèi)部rfy，rfy和外部cfy，cfy構(gòu)成) 送到占空比調(diào)制器中，由調(diào)制器轉(zhuǎn)換為占空比與加速度成正比的方波，方波的周期(t2) 可以通過rs 確定。這個(gè)方波可以直接送到單片機(jī)進(jìn)行處理，通過使用計(jì)數(shù)器測(cè)量方波周期t2 以及脈沖的寬度t1 (如圖2) ，從而得到加速度的值。
圖2 adxl 202je 輸出波形示意圖
加速度: a= (t1/t2- u0g)/u1g式中：t2 由占外接電阻器rs 確定，其關(guān)系為t2= rs/125兆歐； u0g為0g 對(duì)應(yīng)的占空比，其典型值是50%； u1g表示1g 加速度變化引起的占空比變化值，對(duì)于adxl 202je，1g的典型值是12.5%。
硬件設(shè)計(jì)
如圖3，系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分。
圖3 測(cè)量電路原理框圖
(1) 測(cè)量部分電路主要由adxl 202je構(gòu)成，并輔助以一些濾波及調(diào)節(jié)電路；
(2) 系統(tǒng)控制電路部分主要由at89c52單片機(jī)以及max232構(gòu)成，由單片機(jī)處理占空比調(diào)制信號(hào)，max232芯片實(shí)現(xiàn)串口通信；
(3)gps模塊選用摩托羅拉的gt型oncore接收器。
軟件設(shè)計(jì)
單片機(jī)采用中斷觸發(fā)的方式來測(cè)量傳感器輸出脈沖周期，從而計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)的傾斜角，并結(jié)合gps模塊判斷車輛是否上高架，主要流程框圖如圖4 所示。
圖4 程序流程圖
結(jié)論與討論
測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度的帶寬選擇
adxl 202je帶寬式中：，rf為濾波器的電阻值，cf 為濾波器的電容值(對(duì)應(yīng)為rfx ，rfy，cfx ，cfy)�？梢�，帶寬主要由cf 確定。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，首先要確定被測(cè)加速度的頻率范圍，然后再設(shè)計(jì)濾波器的參數(shù)。因?yàn)閍dxl 202je固有噪聲n與帶寬w 的平方根成正比，其關(guān)系為n = (500×w×115)，當(dāng)帶寬為5hz 時(shí)，噪聲為0.43mg。因此要選擇合適的帶寬，盡量使濾波器的帶寬略高于被測(cè)頻率，這樣做不僅有利于濾除高頻干擾，也利于降低系統(tǒng)噪聲干擾。
占空比調(diào)制器周期的確定
對(duì)于adxl 202je，當(dāng)dcm輸出方波頻率大于模擬帶寬10倍以上，測(cè)量準(zhǔn)確度就很理想，因此周期越小越好。但是周期的減小對(duì)微控制器的處理速度要求會(huì)提高，而實(shí)際中硬件的處理速度是受到器件性能限制的。綜合以上因素，方波的周期是根據(jù)模擬帶寬、處理器速度以及測(cè)量分辨力的要求共同確定的。
實(shí)驗(yàn)分析
根據(jù)實(shí)際的精度要求，實(shí)驗(yàn)選用1uf 的濾波電容，這樣帶寬為5hz，噪聲約為0.43mg。rs阻值為1m，這樣輸出方波周期約為141hz。采用12m晶振的單片機(jī)，這樣占空比的精度可到達(dá)0.14%。在實(shí)際車載
關(guān)鍵詞：加速度傳感器；占空比調(diào)制；傾斜角測(cè)量
引言
隨著定位導(dǎo)航技術(shù)的飛速發(fā)展，車載導(dǎo)航系統(tǒng)在相關(guān)領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。車載導(dǎo)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作指示，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(biāo)。目前，隨著城市道路的發(fā)展，高架路日益成為城市交通的樞紐，因此如何對(duì)車輛是否位于高架上的定位成為了車載導(dǎo)航系統(tǒng)急需解決的問題。常用的gps 衛(wèi)星定位雖然可以測(cè)量高度，但是誤差卻在100m左右，無法達(dá)到高架一般幾米的要求，所以直接測(cè)量的方法是很難滿足的。
這里使用國外成熟的加速度計(jì)器件adxl 202je，通過測(cè)量車輛上下高架時(shí)的傾斜角變化，結(jié)合gps定位來判斷車輛是否位于高架上。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)
測(cè)量原理
adxl 202je采用先進(jìn)的mems技術(shù)，在同一硅片中刻蝕了一個(gè)多晶硅表面微機(jī)械傳感器，并集成了一套精密的信號(hào)處理電路，如圖1 所示。
圖1 adxl 202 功能結(jié)構(gòu)框圖
傳感器主要是由一個(gè)利用表面微機(jī)械加工的多晶硅機(jī)構(gòu)和一個(gè)差動(dòng)電容器組成。在加速度的作用下，多晶硅結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生偏移使電容值發(fā)生變化。在信號(hào)處理電路中(如圖1) ，差動(dòng)電容器的變化信號(hào)由解調(diào)器解調(diào)后通過一個(gè)rc 濾波器(由內(nèi)部rfy，rfy和外部cfy，cfy構(gòu)成) 送到占空比調(diào)制器中，由調(diào)制器轉(zhuǎn)換為占空比與加速度成正比的方波，方波的周期(t2) 可以通過rs 確定。這個(gè)方波可以直接送到單片機(jī)進(jìn)行處理，通過使用計(jì)數(shù)器測(cè)量方波周期t2 以及脈沖的寬度t1 (如圖2) ，從而得到加速度的值。
圖2 adxl 202je 輸出波形示意圖
加速度: a= (t1/t2- u0g)/u1g式中：t2 由占外接電阻器rs 確定，其關(guān)系為t2= rs/125兆歐； u0g為0g 對(duì)應(yīng)的占空比，其典型值是50%； u1g表示1g 加速度變化引起的占空比變化值，對(duì)于adxl 202je，1g的典型值是12.5%。
硬件設(shè)計(jì)
如圖3，系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分。
圖3 測(cè)量電路原理框圖
(1) 測(cè)量部分電路主要由adxl 202je構(gòu)成，并輔助以一些濾波及調(diào)節(jié)電路；
(2) 系統(tǒng)控制電路部分主要由at89c52單片機(jī)以及max232構(gòu)成，由單片機(jī)處理占空比調(diào)制信號(hào)，max232芯片實(shí)現(xiàn)串口通信；
(3)gps模塊選用摩托羅拉的gt型oncore接收器。
軟件設(shè)計(jì)
單片機(jī)采用中斷觸發(fā)的方式來測(cè)量傳感器輸出脈沖周期，從而計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)的傾斜角，并結(jié)合gps模塊判斷車輛是否上高架，主要流程框圖如圖4 所示。
圖4 程序流程圖
結(jié)論與討論
測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度的帶寬選擇
adxl 202je帶寬式中：，rf為濾波器的電阻值，cf 為濾波器的電容值(對(duì)應(yīng)為rfx ，rfy，cfx ，cfy)�？梢�，帶寬主要由cf 確定。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，首先要確定被測(cè)加速度的頻率范圍，然后再設(shè)計(jì)濾波器的參數(shù)。因?yàn)閍dxl 202je固有噪聲n與帶寬w 的平方根成正比，其關(guān)系為n = (500×w×115)，當(dāng)帶寬為5hz 時(shí)，噪聲為0.43mg。因此要選擇合適的帶寬，盡量使濾波器的帶寬略高于被測(cè)頻率，這樣做不僅有利于濾除高頻干擾，也利于降低系統(tǒng)噪聲干擾。
占空比調(diào)制器周期的確定
對(duì)于adxl 202je，當(dāng)dcm輸出方波頻率大于模擬帶寬10倍以上，測(cè)量準(zhǔn)確度就很理想，因此周期越小越好。但是周期的減小對(duì)微控制器的處理速度要求會(huì)提高，而實(shí)際中硬件的處理速度是受到器件性能限制的。綜合以上因素，方波的周期是根據(jù)模擬帶寬、處理器速度以及測(cè)量分辨力的要求共同確定的。
實(shí)驗(yàn)分析
根據(jù)實(shí)際的精度要求，實(shí)驗(yàn)選用1uf 的濾波電容，這樣帶寬為5hz，噪聲約為0.43mg。rs阻值為1m，這樣輸出方波周期約為141hz。采用12m晶振的單片機(jī)，這樣占空比的精度可到達(dá)0.14%。在實(shí)際車載
楊 暉，劉 欣，孫蓉霞
摘 要：提出一種基于數(shù)字式mems 加速度傳感器adxl 202je，設(shè)計(jì)了應(yīng)用此傳感器來判斷車輛是否位于高架上的全數(shù)字式裝置。分析了整個(gè)系統(tǒng)硬件的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際測(cè)量結(jié)果，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟件算法，并進(jìn)一步論述了提高測(cè)量精度的方法，最后通過實(shí)際車載實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。
關(guān)鍵詞：加速度傳感器；占空比調(diào)制；傾斜角測(cè)量
引言
隨著定位導(dǎo)航技術(shù)的飛速發(fā)展，車載導(dǎo)航系統(tǒng)在相關(guān)領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。車載導(dǎo)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作指示，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(biāo)。目前，隨著城市道路的發(fā)展，高架路日益成為城市交通的樞紐，因此如何對(duì)車輛是否位于高架上的定位成為了車載導(dǎo)航系統(tǒng)急需解決的問題。常用的gps 衛(wèi)星定位雖然可以測(cè)量高度，但是誤差卻在100m左右，無法達(dá)到高架一般幾米的要求，所以直接測(cè)量的方法是很難滿足的。
這里使用國外成熟的加速度計(jì)器件adxl 202je，通過測(cè)量車輛上下高架時(shí)的傾斜角變化，結(jié)合gps定位來判斷車輛是否位于高架上。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)
測(cè)量原理
adxl 202je采用先進(jìn)的mems技術(shù)，在同一硅片中刻蝕了一個(gè)多晶硅表面微機(jī)械傳感器，并集成了一套精密的信號(hào)處理電路，如圖1 所示。
圖1 adxl 202 功能結(jié)構(gòu)框圖
傳感器主要是由一個(gè)利用表面微機(jī)械加工的多晶硅機(jī)構(gòu)和一個(gè)差動(dòng)電容器組成。在加速度的作用下，多晶硅結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生偏移使電容值發(fā)生變化。在信號(hào)處理電路中(如圖1) ，差動(dòng)電容器的變化信號(hào)由解調(diào)器解調(diào)后通過一個(gè)rc 濾波器(由內(nèi)部rfy，rfy和外部cfy，cfy構(gòu)成) 送到占空比調(diào)制器中，由調(diào)制器轉(zhuǎn)換為占空比與加速度成正比的方波，方波的周期(t2) 可以通過rs 確定。這個(gè)方波可以直接送到單片機(jī)進(jìn)行處理，通過使用計(jì)數(shù)器測(cè)量方波周期t2 以及脈沖的寬度t1 (如圖2) ，從而得到加速度的值。
圖2 adxl 202je 輸出波形示意圖
加速度: a= (t1/t2- u0g)/u1g式中：t2 由占外接電阻器rs 確定，其關(guān)系為t2= rs/125兆歐； u0g為0g 對(duì)應(yīng)的占空比，其典型值是50%； u1g表示1g 加速度變化引起的占空比變化值，對(duì)于adxl 202je，1g的典型值是12.5%。
硬件設(shè)計(jì)
如圖3，系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分。
圖3 測(cè)量電路原理框圖
(1) 測(cè)量部分電路主要由adxl 202je構(gòu)成，并輔助以一些濾波及調(diào)節(jié)電路；
(2) 系統(tǒng)控制電路部分主要由at89c52單片機(jī)以及max232構(gòu)成，由單片機(jī)處理占空比調(diào)制信號(hào)，max232芯片實(shí)現(xiàn)串口通信；
(3)gps模塊選用摩托羅拉的gt型oncore接收器。
軟件設(shè)計(jì)
單片機(jī)采用中斷觸發(fā)的方式來測(cè)量傳感器輸出脈沖周期，從而計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)的傾斜角，并結(jié)合gps模塊判斷車輛是否上高架，主要流程框圖如圖4 所示。
圖4 程序流程圖
結(jié)論與討論
測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度的帶寬選擇
adxl 202je帶寬式中：，rf為濾波器的電阻值，cf 為濾波器的電容值(對(duì)應(yīng)為rfx ，rfy，cfx ，cfy)�？梢�，帶寬主要由cf 確定。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，首先要確定被測(cè)加速度的頻率范圍，然后再設(shè)計(jì)濾波器的參數(shù)。因?yàn)閍dxl 202je固有噪聲n與帶寬w 的平方根成正比，其關(guān)系為n = (500×w×115)，當(dāng)帶寬為5hz 時(shí)，噪聲為0.43mg。因此要選擇合適的帶寬，盡量使濾波器的帶寬略高于被測(cè)頻率，這樣做不僅有利于濾除高頻干擾，也利于降低系統(tǒng)噪聲干擾。
占空比調(diào)制器周期的確定
對(duì)于adxl 202je，當(dāng)dcm輸出方波頻率大于模擬帶寬10倍以上，測(cè)量準(zhǔn)確度就很理想，因此周期越小越好。但是周期的減小對(duì)微控制器的處理速度要求會(huì)提高，而實(shí)際中硬件的處理速度是受到器件性能限制的。綜合以上因素，方波的周期是根據(jù)模擬帶寬、處理器速度以及測(cè)量分辨力的要求共同確定的。
實(shí)驗(yàn)分析
根據(jù)實(shí)際的精度要求，實(shí)驗(yàn)選用1uf 的濾波電容，這樣帶寬為5hz，噪聲約為0.43mg。rs阻值為1m，這樣輸出方波周期約為141hz。采用12m晶振的單片機(jī)，這樣占空比的精度可到達(dá)0.14%。在實(shí)際車載
關(guān)鍵詞：加速度傳感器；占空比調(diào)制；傾斜角測(cè)量
引言
隨著定位導(dǎo)航技術(shù)的飛速發(fā)展，車載導(dǎo)航系統(tǒng)在相關(guān)領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。車載導(dǎo)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作指示，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(biāo)。目前，隨著城市道路的發(fā)展，高架路日益成為城市交通的樞紐，因此如何對(duì)車輛是否位于高架上的定位成為了車載導(dǎo)航系統(tǒng)急需解決的問題。常用的gps 衛(wèi)星定位雖然可以測(cè)量高度，但是誤差卻在100m左右，無法達(dá)到高架一般幾米的要求，所以直接測(cè)量的方法是很難滿足的。
這里使用國外成熟的加速度計(jì)器件adxl 202je，通過測(cè)量車輛上下高架時(shí)的傾斜角變化，結(jié)合gps定位來判斷車輛是否位于高架上。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)
測(cè)量原理
adxl 202je采用先進(jìn)的mems技術(shù)，在同一硅片中刻蝕了一個(gè)多晶硅表面微機(jī)械傳感器，并集成了一套精密的信號(hào)處理電路，如圖1 所示。
圖1 adxl 202 功能結(jié)構(gòu)框圖
傳感器主要是由一個(gè)利用表面微機(jī)械加工的多晶硅機(jī)構(gòu)和一個(gè)差動(dòng)電容器組成。在加速度的作用下，多晶硅結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生偏移使電容值發(fā)生變化。在信號(hào)處理電路中(如圖1) ，差動(dòng)電容器的變化信號(hào)由解調(diào)器解調(diào)后通過一個(gè)rc 濾波器(由內(nèi)部rfy，rfy和外部cfy，cfy構(gòu)成) 送到占空比調(diào)制器中，由調(diào)制器轉(zhuǎn)換為占空比與加速度成正比的方波，方波的周期(t2) 可以通過rs 確定。這個(gè)方波可以直接送到單片機(jī)進(jìn)行處理，通過使用計(jì)數(shù)器測(cè)量方波周期t2 以及脈沖的寬度t1 (如圖2) ，從而得到加速度的值。
圖2 adxl 202je 輸出波形示意圖
加速度: a= (t1/t2- u0g)/u1g式中：t2 由占外接電阻器rs 確定，其關(guān)系為t2= rs/125兆歐； u0g為0g 對(duì)應(yīng)的占空比，其典型值是50%； u1g表示1g 加速度變化引起的占空比變化值，對(duì)于adxl 202je，1g的典型值是12.5%。
硬件設(shè)計(jì)
如圖3，系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分。
圖3 測(cè)量電路原理框圖
(1) 測(cè)量部分電路主要由adxl 202je構(gòu)成，并輔助以一些濾波及調(diào)節(jié)電路；
(2) 系統(tǒng)控制電路部分主要由at89c52單片機(jī)以及max232構(gòu)成，由單片機(jī)處理占空比調(diào)制信號(hào)，max232芯片實(shí)現(xiàn)串口通信；
(3)gps模塊選用摩托羅拉的gt型oncore接收器。
軟件設(shè)計(jì)
單片機(jī)采用中斷觸發(fā)的方式來測(cè)量傳感器輸出脈沖周期，從而計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)的傾斜角，并結(jié)合gps模塊判斷車輛是否上高架，主要流程框圖如圖4 所示。
圖4 程序流程圖
結(jié)論與討論
測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度的帶寬選擇
adxl 202je帶寬式中：，rf為濾波器的電阻值，cf 為濾波器的電容值(對(duì)應(yīng)為rfx ，rfy，cfx ，cfy)�？梢�，帶寬主要由cf 確定。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，首先要確定被測(cè)加速度的頻率范圍，然后再設(shè)計(jì)濾波器的參數(shù)。因?yàn)閍dxl 202je固有噪聲n與帶寬w 的平方根成正比，其關(guān)系為n = (500×w×115)，當(dāng)帶寬為5hz 時(shí)，噪聲為0.43mg。因此要選擇合適的帶寬，盡量使濾波器的帶寬略高于被測(cè)頻率，這樣做不僅有利于濾除高頻干擾，也利于降低系統(tǒng)噪聲干擾。
占空比調(diào)制器周期的確定
對(duì)于adxl 202je，當(dāng)dcm輸出方波頻率大于模擬帶寬10倍以上，測(cè)量準(zhǔn)確度就很理想，因此周期越小越好。但是周期的減小對(duì)微控制器的處理速度要求會(huì)提高，而實(shí)際中硬件的處理速度是受到器件性能限制的。綜合以上因素，方波的周期是根據(jù)模擬帶寬、處理器速度以及測(cè)量分辨力的要求共同確定的。
實(shí)驗(yàn)分析
根據(jù)實(shí)際的精度要求，實(shí)驗(yàn)選用1uf 的濾波電容，這樣帶寬為5hz，噪聲約為0.43mg。rs阻值為1m，這樣輸出方波周期約為141hz。采用12m晶振的單片機(jī)，這樣占空比的精度可到達(dá)0.14%。在實(shí)際車載
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