【導讀】ADXL202是ADI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。
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??梢允褂脠D5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。
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。
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