|
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，輸出為周期可調的脈寬調制信號，可以直接與單片機或計數(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、通信網關等領域。本文使用LPC2103實現(xiàn)對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、結構簡單，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。與其他加速度計相比，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較低。圖1所示為ADXL202傳感器的引腳定義。 
ST：自檢，用于控制芯片自檢功能。接VDD時，輸出占空比為10％的波形，說明芯片正常工作。 COM：引腳4、7。使用時需將2個COM端接在一起并接地。 T2：經電阻RSET接地，調節(jié)輸出信號周期。輸出信號周期T2=RSET／(125 MΩS-1)。 VDD：電源。工作電壓范圍為+3．O～+5．25 V，可經過100Ω的去耦電阻接電源。 XFILT、YFILT：經電容接地，用于改變帶寬、濾除噪聲和抑制零點漂移。 Xout、Yout：輸出。 圖2為ADXL202傳感器的內部結構原理圖。
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制器組成，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2個相互正交的加速度傳感器，它們同時工作，可以測量動態(tài)變化的加速度和恒定的加速度。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。檢波器輸出的信號，通過一個32 kΩ的電阻來驅動占空比調制器，通過在XFILT和YFILT引腳外接電容CX和CY來改變帶寬。 1．2 測量數(shù)據(jù)的計算及處理 (1)信號帶寬的計算 通過CX和CY來設定帶寬，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l 000 pF) (2)加速度的計算 輸出信號周期T2=RSET／(125 MΩs-1)，如圖3所示。
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引腳的外接電阻可以改變T2的周期(O．5～10 ms)，這很適于在精度要求不同的場合下使用。輸出的占空比信號通過計數(shù)器可以計算出占空比。加速度的計算可以通過下式得到：
例如，當加速度為0g時，信號寬度T1與空閑寬度(T2一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(T2一 T1)的比值為5：3，輸出信號的占空比為62．5％。 1．3 ADXL202的典型應用 ADXL202傳感器最重要的應用之一是傾斜度的測量。在進行傾斜度測量時，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，物體傾斜對于加速度數(shù)據(jù)的影響可以忽略不計。圖4所示為加速度測量的原理圖。
當ADXL202與重力矢量垂直時，其輸出隨傾斜度的變化大約為每度17．5 mg，當兩者呈45°時，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系。
2 應用電路設計 2．1 硬件接口設計 LPC2103是一個支持實時仿真和跟蹤的32位 ARM7TDMI—S CPU，并帶有8 KB片內SRAM和32 KB嵌入的高速片內Flash內存。LPC2103具有LQFP48的較小封裝、極低的功耗、多個32位定時器、8路10位ADC、2個外部中斷、最多可達32個GPIO。通過可編程的片內PLL(可能的輸入頻率范圍：10～25 MHz)可實現(xiàn)最高70 MHz的CPU時鐘頻率。ADXL202傳感器與LPC2103的接口電路如圖5所示。
ADXL202加速度傳感器的T2經125 kΩ電阻接地，可以得到信號輸出的周期為1 ms。13、14引腳接+5 V電源，XFILT和YFILT經O．1μF電容接地，用于設置50 Hz帶寬。兩路輸出分別與LPC2103的PO．O和PO．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，無論采用什么方式進行數(shù)據(jù)接收，都需要定時器／計數(shù)器工作，對DCM信號進行計時處理。因此，程序首先要對定時器進行初始化。然后分別對DCM信號的高電平和低電平持續(xù)時間進行計時，得到T1、T2的值，再進行加速度計算。由于默認情況下GPIO均為普通I／0方式，所以開始不用設置PIN—SEL寄存器。普通GPIO口方式程序如下：
普通GPIO口方式的程序比較簡單，雖然程序的執(zhí)行需要時間，但由于LPC2103的主頻可以達到40 MHz，執(zhí)行幾條指令只需幾微秒，所以產生的誤差會很小。但普通GPIO方式程序執(zhí)行時，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。可以使用圖5所示Xout與LPC2103的接口方式。 2．3 定時器捕獲中斷方式 如圖5所示，Yout與 LPC2103的PO．2引腳相接，利用P0．2的功能復用，可以實現(xiàn)定時器捕獲中斷方式接收傳感器數(shù)據(jù)。主要程序段如下：
中斷處理程序運行之后，得到的信號周期應為T2=t1+t2。故加速度為(((fp32)t1／((fp32)t2+(fp32)t1))一 O．5)*8。使用中斷服務程序大大提高了CPU的使用效率，但程序較為復雜，并且占用了一個中斷向量通道。 結 語 ADXL202傳感器的應用方法經過驗證完全可行，并且能夠達到較高的測量精度。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在慣性導航、傾斜感應、地震監(jiān)控及汽車保險等領域都有著廣泛的應用，精度高、集成度高、功耗低等特點使之完全可以取代傳統(tǒng)的加速度傳感器。 參考文獻 1. 周立功 ARM 微控制器基礎與實戰(zhàn) 2003 2. ADI Low Cost ±2g/10g Dual Axis iMEMS Accelerometers with Digital Output ADXL202/ADXL210 Technical Note 1999 作者：北京交通大學 翟飛飛 趙振 陳潤深 戴勝華 來源：單片機與嵌入式系統(tǒng)應用 2008 (10) |
