多MEMS傳感器的嵌入式姿態測量系統設計

陳新雋，劉曉平，戴若犁，劉昊揚

（1.北京郵電大學 自動化學院，北京 100876；2.北京梅泰諾通信技術股份有限公司）

陳新雋（碩士研究生），主要研究方向為嵌入式遠程監控系統開發與設計；劉曉平（教授），主要研究方向為測控技術與故障診斷、智能控制技術；戴若犁（博士），研究方向為基于智能材料、機電一體化及傳感器技術的振動控制；劉昊揚（博士），主要研究方向為結構動力分析、結構優化及物聯網相關應用。

引 言

傳統的姿態測量因為采用高精度陀螺儀和加速度計等姿態傳感器，體積龐大并且價格昂貴［1］。當前 MEMS產品因其體積小、價格低、功耗低，被稱為是傳統的慣性測量組合的一次重大改革，越來越多地應用于姿態測量應用中。并且，隨著MEMS技術的迅速發展以及向各個學科領域的滲透，它的各方面性能如精度、魯棒性、動態響應等都得到了巨大的提高［2］。

隨著嵌入式技術的不斷發展，以應用為中心的嵌入式系統由于體積小、功耗低、可靠性高、可裁減性好、軟硬件集成度高，已經滲入到我們日常生活的各個方面，在各行各業中都得到了應用。而嵌入式與MEMS的結合使姿態測量系統滿足了低成本、低功耗、微型化的應用需求，給消費電子領域帶來了巨大進步，如智能手機中的重力感應與指南針，同時給航空、工業、汽車、醫療、環境監控、通信等領域帶來了十分廣闊的應用前景。

本文采用三軸MEMS陀螺儀、三軸MEMS加速度計及三軸MEMS電子羅盤與Freescale單片機MC9S08QE8組成一個嵌入式姿態測量系統。陀螺儀由于動態性能好，用于獲取實時姿態信息。但陀螺儀因為會產生偏移，而加速度計與電子羅盤因其靜態性能比較優越，所以用來對陀螺儀姿態計算過程中的誤差進行修正。

1 系統組成和結構

本系統主要由單軸陀螺儀LY530AL、雙軸陀螺儀LPR530AL、三軸 MEMS加速度計 ADXL345、三軸MEMS電子羅盤HMC5843及單片機MC9S08QE8組成。其中X、Y方向的雙軸陀螺儀與Z軸方向的單軸陀螺儀組合成三軸陀螺儀，它們的信號由單片機MC9S08QE8的ADC模塊進行采集，而加速度信號和電子羅盤信號則通過I2C總線傳送到單片機。這9路信號在單片機中首先經過前期的處理，而后由單片機中的姿態計算算法程序獲取3個姿態角信息，這3個信息通過單片機MC9S08QE8的串口模塊傳送到上位機進行演示，嵌入式姿態測量系統結構框圖如圖1所示。

1.1 三軸MEMS陀螺儀

圖1 嵌入式姿態測量系統結構框圖

系統中三軸MEMS陀螺儀由ST公司的單軸Z方向的陀螺儀LY530AL和雙軸X、Y方向的陀螺儀LPR530AL組合而成。它們采用電容式微機械陀螺儀原理，由于ST公司選用了音叉方法，并且振動驅動電路采用了雙閉環的控制結構，顯著地提高了陀螺儀的穩定性和分辨率［3］。測量范圍達±300°／s，擁有自測功能，輸出端集成了低通濾波電路，工作電壓為1.8～3.6V，待機模式電流小于1μA。

1.2 三軸MEMS加速度計

系統中三軸MEMS加速度計選用ADI公司的ADXL345。ADXL345是基于iMEMS技術的三軸、數字輸出加速度傳感器，具有±2g、±4g、±8g、±16g可變的測量范圍。芯片內帶的32級FIFO存儲可以緩存數據，從而減輕處理器的負擔并降低了系統功耗。ADXL345具有較高的分辨率與靈敏度、3mm×5mm×1mm超小封裝、40～145μA超低功耗及標準的I2C或SPI數字接口，非常適合于移動設備的應用。

1.3 三軸MEMS電子羅盤

系統中的三軸MEMS電子羅盤采用霍尼韋爾公司的HMC5843，它采用霍尼韋爾公司的各向異性磁阻（AMR）技術，由霍尼韋爾高精度的HMC118X系列磁阻傳感器組成，在低強度磁場傳感器中具有較高的靈敏度和可靠性。2.16～3.3V的低電壓供電、0.66mA 電流功耗，以及3mm×3mm×0.9mm的小體積，在消費電子設備、導航系統中擁有明顯的優越性。

1.4 單片機MC9S08QE8

系統中單片機采用Freescale公司的MC9S08QE8。MC9S08QE8采用了眾多新技術，如電池壽命、延長技術、增強型的低功耗性能以及超低電壓下的高級運行能力等。同時具有極高的集成度，集成了很多系統級功能，如12位高精度 A／D轉換器、定時器、SPI、I2C、SCI等常用模塊，非常適合低功耗、低成本的應用。

2 應用電路設計

2.1 電源模塊

本系統的電源穩壓電路為整個系統所有設備供電，考慮到系統中涉及數字型和模擬型傳感器，采用了低噪音、低漂移、供電電壓為3.3V的線性穩壓芯片MIC5205。電源穩壓電路原理圖如圖2所示。其中，C1是連接芯片內部電壓參考源與GND的電容，用來減少輸出電壓的噪音，而C2作為輸出與GND的電容，用來防止電路產生振蕩。C2的電容大小與C1有關，但當C1為470nF時，C2一般為2.2μF。D1為電源的指示燈。

圖2 電源穩壓電路原理圖

2.2 陀螺儀與ADC模塊

MC9S08QE8單片機內帶的ADC模塊是基于逐次逼近型12位模數轉換器。它提供10個輸入通道，可以配置采用時間轉換速度及功耗，可以設置預置比較，從而保證某些不符合要求的數據不用保存。其中最能體現高性能特點的是可以設置連續序列轉換方式，這種模式下，ADC硬件可自動實現所設定的幾個通道連續轉換，并把轉換結果存入響應的數據寄存器中［4］，而不用程序循環實現。這樣既簡化了程序設計，又降低了轉換功耗，減輕了MC9S08QE8的負擔。

陀螺儀與單片機ADC模塊的接口如圖3所示。圖中ST、HP、PD作為自我測試、能量控制、高通濾波設置3個引腳，它們分別連接到 MC9S08QE8的通用I／O接口上。一般它們都接下拉電阻，默認為正常工作模式，如果需要對相應的工作模式進行改變則須改變對應MC9S08QE8 I／O口的電平為高電平。而LY530AL與LPR530AL的輸出信號（4xOTUX、4xOTUY、4xOTUZ引腳）與輸出參考電壓（Vref引腳）分別接MC9S08QE8的ADC模塊的相應通道。設計中特別注意的是，LPR530AL有2種輸出模式：一種是采用經過內部放大4倍后的輸出，另一種是正常的輸出。當采用非線性放大輸出方式時，應當把LPR530AL的5引腳和9引腳連接GND；如果采用放大輸出方式并且外部沒有擴展旁路濾波，則應當分別把4和5引腳、9和10引腳短接。圖3中，LY530AL工作原理與LPR530AL相似。

圖3 陀螺儀與單片機ADC模塊的接口

2.3 加速度計、電子羅盤與I 2C接口

MC9S08QE8內帶的高速I2C模塊擁有多主機操作、可編程從機地址、中斷驅動的逐字節數據發送、支持廣播模式和10位尋址等特點，總線在最大負荷下可達到100 kbps的速度。系統中，加速度計、電子羅盤芯片與MC9S08QE8I2C模塊的接口如圖4所示。圖中ADXL345的CS引腳用來控制選擇I2C還是SPI通信協議，電平為高表示采用I2C協議，而SDA和SCL引腳分別連接到MC9S08QE8的I2C總線引腳上。電子羅盤HMC5843支持雙電壓工作，其中引腳VDD表示內核電壓，引腳VDDIO表示外部I／O電壓，本系統中采用單電壓模式，即內核電壓與外部I／O電壓相同。

圖4 加速度計、電子羅盤與MC9S08QE8I2 C模塊的接口

3 軟件設計與測試

系統的軟件設計是整個系統的重要組成部分。依據上述硬件電路的設計原理與功能要求，軟件中首先要完成MC9S08QE8的初始化，對各種MEMS傳感器的工作模式進行設定；然后獲取三軸陀螺儀、加速度計、電子羅盤的實時信號，并根據姿態計算算法計算姿態角，最終把姿態角信息通過串口傳送到上位機中進行測試與演示，嵌入式姿態測量系統軟件流程如圖5所示。

圖5 嵌入式姿態測量系統軟件流程

3.1 MC9S08QE8的初始化

MC9S08QE8的初始化函數主要實現對系統時鐘、端口及各個使用的功能模塊進行初始化，如ADC模塊、SCI模塊、I2C模塊。初始化函數Sys＿init＿fun（void）如下：

3.2 傳感器工作模式的設定

各種MEMS傳感器工作模式的設定中，陀螺儀涉及的均為模擬信號，不用對其具體工作模式進行設定。加速度計ADXL345豐富的功能是通過配置對應的寄存器來實現的，通過對應的寄存器可以選擇數據格式、FIFO工作模式、數字通信模式、節電模式、中斷使能以及修正各軸偏差等。POWER＿CTL寄存器用來設定供電模式，與BW＿RATE寄存器配合，可設定數據傳輸速率，如果要進一步降低功耗，可將BW＿RATE寄存器中的LOW＿POWER位置位，進入低功耗模式。而DATA＿FORMAT寄存器用來設定數據格式與加速度計的量程，FIFO＿CTL寄存器用來設置緩存器具體的工作模式，如Bypass、FIFO、Stream、Trigger。最后 OFSX、OFSY、OFSZ三個用來存放初始化時標定的X、Y、Z軸的偏移量，以便對數據進行修正［5］。

電子羅盤HMC5843配置相對簡單，主要有3個寄存器，通過配置寄存器A可以設定數據傳輸速率和測量模式，寄存器B用來設置設備的增益大小，而通過模式寄存器用來設置設備的工作模式。

3.3 姿態計算

典型的姿態解算方法有方向余弦矩陣求解法、四元數法、旋轉矢量法等，本系統采用 William Premerlani and Paul Bizard的DCM［6］算法，DCM算法框圖如圖6所示。三軸陀螺儀的輸入信號通過運動學方程計算出方向余弦矩陣，三軸加速度計信號與三軸電子羅盤信號結合PI反饋控制對陀螺儀信號進行修正。

圖6 DCM算法框圖

其中算法由kinematics＿and＿normalization（t＿vector＊gyro，t＿matrix＊dcm）函數實現：

上述計算得到的實時姿態角數據通過串口傳送到上位機，上位機中通過編寫的python演示程序對下位機姿態測量模塊的運動姿態進行跟蹤與顯示，演示效果如圖7所示。每幅圖中包含3個部分：第1部分（左上角）中紅、綠、藍3種指針指向分別代表橫滾角（roll）、俯仰角（pitch）與航向角（yaw）的大小，第2部分（左下角）顯示模塊實時運動姿態，第3部分（右邊）用于顯示姿態角信息。左圖為物體靜止不動下的演示效果，右圖表示在運動過程中物體的姿態運動效果，通過對比與分析2個圖及各圖對應3部分的效果，可以說明本設計達到了良好的效果，能比較正確地測量物體的姿態信息。

圖7 上位機演示效果

結 語

當前，各種消費電子設備內部一般含有三軸加速度計和電子羅盤，如智能手機、平板電腦等，但加速度計動態性能相比陀螺儀遜色很多，而陀螺儀的增加可以提升系統整體的動態與靜態性能。本文設計的嵌入式姿態測量系統，采用多MEMS傳感器組合方式，拓展了MEMS傳感器的應用范圍，也延伸了姿態測量系統的應用領域。實驗演示表明系統性能和使用性都比較好，可以應用于消費電子與一般工業的姿態測量與物體穩定控制的應用中。

［1］付旭，周兆英，熊沈蜀，等.基于EKF的多 MEMS傳感器姿態測量系統［J］.清華大學學報：自然科學版，2006，46（11）：1857－1859.

［2］Di Li，Landry R，Lavoie P.Low－cost MEMS sensor－based attitude determination system by integration of magnetome－ters and GPS：A real－data test and performance evaluation［C］／／Proceedings of IEEE／ION Plans 2008，Monterey，2008：1990－1998.

［3］ST.LY530AL Datasheet［OL］.［2011－06］.http：／／www.st.com.

［4］李剛，陳世利，周鑫玲，等.飛思卡爾8位單片機實用教程［M］.北京：電子工業出版社，2009.

［5］袁西，陳棟，田湘，等.三軸數字加速度計ADXL345及其在捷聯慣導中的應用［J］.電子設計工程，2010（3）：138－140.

［6］William Premerlani，Paul Bizard.Direction Cosine Matrix IMU：Theory ［EB／OL］. ［2011－06］.http：／／gentlenav.googlecode.com／files／MahonyPapers.zip.