基于MEMS和单片机的惯性测量组件系统

出处:互联网 发布于:2020-08-04 14:06:43

  先简介 ADISl6355AMLZ 型 MEMS 的原理、构成及应用。在此基础上,搭建一个硬件平台,采用内置 USB 控制器的 AT89C513lA 型单片机作为主控制器,控制 ADISl6355AMLZ 并采集、存储数据。并对惯性测量组件系统进行数据采集设计。经测试,该系统达到了预期设计要求。

  运动目标跟踪测量、视频监控等各种实时测量系统在工业、生活中应用日益广泛。然而在这些系统中存在一个共同问题;如何保持摄像机的稳定,处理在跟踪过程中摄像机出现的抖动。传统的方法是采用预先建立的数学模型在后期进行算法处理来纠正摄像机出现的抖动误差,然而这种情况下要求建立的数学模型相当可靠,而实际处理产生的误差也较大,虽然个别系统也采用惯性测量组件,但大都功能单一、  较低。这里主要针对 ADI 公司生产的 ADISl6355AMLZ 在摄像稳定中的作用,设计一个高  的惯性测量组件系统。将其应用在需要摄像稳定的跟踪、监控摄像机上,可以准确记录出现的抖动误差,有效提高测量  度。

  1、 ADISl6355AMLZ 概述

  1.1 ADISl6355AMLZ 的基本原理

  ADISl6355AMLZ 是 ADI 公司生产的一款数字输出、全温校准的高性能、微惯性测量系统。其输出为 SPI 串行接口,提供 3 个角速率信号、3 个线加速度计信号、温度传感器信号、电源电压信号和 1 个辅助的模拟输入。ADISl6355AMLZ 是一种微机械陀螺仪,属于振动陀螺仪 VG(Vibrat- ory Gymscope)。振动陀螺仪的基本工作原理都是产生并检测哥氏加速度,即利用哥氏效应使陀螺的 2 个振动模态间产生能量转换。哥氏加速度在旋转坐标系中表征加速度,与旋转坐标系的旋转速率成比例。

  1.2 ADISl6355AMLZ 的基本构成

  ADISl6355AMLZ 是 ADI 公司 MEMS 器件 ADISl635X 系列的角速度、加速度测量传感器,其  传感器部件均采用 iMEMs 技术,属于利用哥氏效应的振动陀螺仪。输出零偏稳定性为 O.015(°)/s,角度随机游走为 4.2(°)/s,而其温度系数则为 O.008(°)/s/℃,因此适用于角度  要求较高的场合。ADISl6355AMLZ 提供一个串行外部接口 SPI,可对器件进行配置,获得运行状态与测量结果等;对外部供电要求不高,内部自带高  稳压电路,外围电路较少。

  2、 惯性测量组件系统设计

  这里主要利用 ADISl6355AMLZ 在摄像稳定方面的重要作用,可有效校正摄像机在跟踪运动目标过程中由于抖动而产生的误差,并能较好解决在跟踪过程中运动目标在摄像机视场中丢失的问题,与传统的根据已建立的数学模型来处理目标丢失现象相比,准确度较高。

  2.1 系统硬件设计

  该系统硬件电路主要包括 AT89C513lA、K9F1G08UOM 存储器、ADISl6355AMLZ 等。图 1 为系统硬件框图。


  MCU 控制器作为主控制器可直接控制惯性测量组件的工作状态、数据采集,并将惯性测量组件采集的数据转存到存储器件内,或通过 USB 接口直接传入 PC 机处理。AT89C513lA 是 Atmel 公司生产的基于 80C52 内核的高性能 8 位单片 CPU 微处理器器件,片上集全速 USB 控制器和 SPI 接口,可方便地与陀螺仪器件连接,并通过 USB 接口将数据高速采集到 PC 机。K9F1G08UOM 是三星公司的 NAND Flash 存储器件,其容量为 128 MB,在惯性测量组件高速采集的情况下可存储至少 4 h 的连续采集数据量。其内部存储列为 1 024 块。每块分为 64 页,1 页包含 2 112 字节,命令、地址、数据信息通过 8 条 I/O 线时分复用。可执行 2 K 字节的页编程操作和页读操作。

  在该系统中,ADSl6355AMLZ 作为从设备通过 SPI 接口与外界通信,输出测得的三轴角速度、三轴加速度、三轴温度、电压值,外部 CPU 也可通过该接口设置 ADISl6355AMLZ 内部寄存器,从而增强使用的灵活性。图 2 为惯性测量组件的读操作 SPI 时序图。

  从图 2 中可看出,ADISl6355AMLZ 的 1 次 SPI 传输包括 16 位数据。其中第 l 位是此次 SPI 传输的读写状态标识,第 2 位为 O,接着的 6 特位是即将读或写的寄存器地址,  的 8 位在写操作时是将要写入寄存器的数据,如果是读操作则无效。完成 ADISl6355AMLZ 的 1 个读操作需 2 次 16 位的 SPI 通信,其中第 1 次是写入将要读取的寄存器地址,读寄存器的内容将在第 2 次 SPI 通信时出现在 ADISl6355AMLZ 的 DOUT 信号线上,输入 SPI 的主设备。

  AT89C5131A 内置包含 SPI 接口,可方便地与 ADISl6355AMLZ 连接,通过 SPI 接口配置相应的寄存器即可控制 ADISl6355AMLZ。由于该单片机为 8 位。其内部寄存器也为 8 位。因此需对自身的 SPI 寄存器进行 2 次写操作,才能完成 ADISl6355AMLZ 1 次 SPI 数据传输。该单片机内含 1 个 USB 控制器,可向 PC 机高速传输数据。

  2.2 惯性测量组件系统硬件电路设计

  该系统的硬件电路部分主要由内置 USB 控制器的 AT89C513l、NAND Flash 器件 K9F1G08UOM 电路以及 ADISl6355AMLZ 组成,硬件接口如图 3 所示。必须写入相应的命令才能顺利执行 ADISl6355AMLZ 和 NAND Flash 的各种操作,南于数据线与地址线复用为 8 根线,因此地址、命令以及数据的输入/输出需要通过命令锁存信号(CLE)和地址锁存信号(ALE)共同控制从分时复用。

  图 3 中,I/O[7:0]:数据输入/输出端口,该信号与 AT89C513l 的 AD[7:0]连接。写使能信号。在其上升沿时,命令、地址和数据锁存到相应的寄存器中。该信号与 AT89C513l 的信号连接。:读使能信号。在其下降沿时,输出数据到 I/O 总线,同时,它还可以对内部数据地址进行累加。该信号与 AT89C513l 的信号连接。CLE:命令锁存使能信号。当 CLE 为高电平时,命令在上升沿通过 I/O 端口送入命令寄存器。该信号与 AT89C5131 的 P2.0 引脚连接。ALE:地址锁存使能信号。当 ALE 为高电平时,地址在上升沿送入地址寄存器。该信号与 AT89C513l 的 P2.1 引脚连接。:片选信号。用于控制设备的选择,当设备忙时为高电平而被忽略。当处于编程和擦除操作时设备不能回到备用状态。该信号与 AT89C513l 的 P2.2 引脚连接。:准备好/忙输出。当它为低电平时,表示编程、擦除和随机读操作正在进行,在操作完成后返回高电平;当该器件没被选中或输出禁止时,其为高电平。该信号与 AT89C513l 的 P2.3 引脚连接。ADISl6355-AMLZ 外部主要通过 SPI 接口与 AT89C5131 的 SPI 接口对应相连。

  3、 系统数据采集设计

  USB 总线具有速度快、连接简单快捷、无需外接电源、支持多设备连接等优点,现已广泛应用于数据采集系统。这里选用的 AT89C513lA 单片机内含 USB 控制器,因此 PC 机通过 USB 口实时采集数据或从 Flash 存储器上统一采集数据。

  Microsoft 公司未提供适合于本系统 USB 接口的驱动程序,因此需自行开发。该程序的功能是:当 USB 设备连接到主机上时,主机可以发现新设备,然后建立连接并完成数据传输任务,也就是能够让 Windows 正常检测和识别 USB 设备。采用 Driver-Studio 中的 DriverWorks 作为开发工具,开发 WDM 型的 USB 驱动程序。图 4 为系统数据采集流程。

  4、 结束语

  这里所设计的惯性测量组件系统主要采用基于哥氏效应的 ADISl6355 MEMS 器件,测量运动目标的三轴角速度、加速度,采用内含 USB 控制器的 AT89C5131A 微控器进行控制,只需很少的外围器件,即可获得性能优异、应用灵活方便的惯性测量组件系统。本设计既可将数据实时采集送回 PC 机处理,也可先将数据存储在 Flash 上,然后统一采集到 PC 机上处理,充分体现了系统应用的灵活性,并且稍加修改就可应用在惯性测量组件的其他应用领域中,具有较好的推广前景。


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