【文章內(nèi)容簡介】 術(shù)原理為例。電容式加速度計能夠感測不同方向的加速度或振動等運(yùn)動狀況。其主要為利用硅的機(jī)械性質(zhì)設(shè)計出的可移動機(jī)構(gòu) ， 機(jī)構(gòu)中主要包括兩組硅梳齒 （ Silicon Fingers）， 組固定 ， 另一組隨即運(yùn)動物體移動 ； 前者相當(dāng)于固定的電極 ， 后者的功能則是可移動電極。當(dāng)可移動的梳 齒產(chǎn)生了位移 ， 就會隨之產(chǎn)生與位移成比例電容值的改變。當(dāng)運(yùn)動物體出現(xiàn)變速運(yùn)動而產(chǎn)生加速度時 ， 其內(nèi)部的電極位置發(fā)生變化 ， 就會反映到電容值的變化 （Δ C）， 該電容差值會傳送給一顆接口芯片 （ InteRFaceChip） 并由其輸出電壓值。因此 3 軸加速度傳感器必然包含一個單純的機(jī)械性 MEMS 傳感器和一枚 ASIC 接口芯片兩部分 ， 前者內(nèi)部有成群移動的電子 ， 主要測量 XY 及 Z 軸的區(qū)域 ， 后者則將電容值的變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。 加速度計測量線性運(yùn)動 ， 輸出加速度 ， 速度變化越快輸出量越大 ， 通過三角函 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 信息工程系 9 數(shù)計算可得到加速 度計與重力方向的夾角。陀螺儀測量旋轉(zhuǎn)運(yùn)動 ， 輸出角速度 ， 旋轉(zhuǎn)越快 ， 輸出量越大 ， 有了角速度數(shù)據(jù)可通過積分獲得角度數(shù)據(jù)。對比兩者優(yōu)缺點如表 31 所示 ： 表 31 加速度傳感器和陀螺儀優(yōu)缺點比較 加速度計 陀螺儀 優(yōu)點 無累積誤差，長時間穩(wěn)定 數(shù)據(jù)噪聲小，短時間內(nèi)誤差小 缺點 1. 加速度計對震動非常敏感，電機(jī)轉(zhuǎn)動以及路面崎嶇等因素所產(chǎn)生的震動會有很大的噪聲。 2. 檔加速度及運(yùn)動時，其輸出量是運(yùn)動加速度與重力加速度混合的數(shù)據(jù)，這會嚴(yán)重影響角度計算的準(zhǔn)確性。 1. 陀螺儀以及放電電路有溫漂。 2. 積分會產(chǎn) 生累積誤差，這種誤差會隨著事件退役而越來越嚴(yán)重，導(dǎo)致數(shù)據(jù)失效。 因此 ， 對兩者的采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合 ， 取長補(bǔ)短 ， 用加速度傳感器長時間穩(wěn)定的特性 ， 彌補(bǔ)陀螺儀的零點漂移及 A/D 采樣值單調(diào)性誤差積累增長 。 芯片 BMA180 應(yīng)用介紹 BMA180 是一種數(shù)字輸出的高精度三軸加速度傳感器 ， 它可以精確的測量靜態(tài)或動態(tài)加速度 ， 因為它有三條相互垂直的軸線 ， 在重力場中 ， 它可以通過重力在這三條軸上的分量來測量自身在重力場中所處的方位。 BMA180 與博世公司的其他慣性傳感器一樣 ， 它也是雙芯片布置的 。當(dāng) x， y， z 軸上受到不同的加速度時 ， 加速度傳感器會在各個方向上產(chǎn)生對應(yīng)不同的電容特性。 BMA180 將測量的結(jié)果轉(zhuǎn)換成 14 位的數(shù)字輸出 ， 通過 I2C 或 SPI 總線將 14位 數(shù)據(jù)表示的測量結(jié)果發(fā)送出去。同過給芯片發(fā)送控制字可以改變加速度傳 感器的量程從 1G 到 16G 之間變化。用一個頻率在 10HZ 到 600HZ 之間可調(diào)的巴特沃斯濾波器來保證加速度的測量過程。 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 信息工程系 10 圖 31 BMA180模塊圖 微型重力加速度傳感器 （ 檢測 x， y， z 軸上的加速度分量 ） 前后端電路 ， 包括前端放大器和模擬預(yù)分頻電路 Multipoxer， 多路轉(zhuǎn)接器 14 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 數(shù)字電路部分 （ 負(fù)責(zé)補(bǔ)償控制 ， 校準(zhǔn) ， 數(shù)字濾波 ， 功率調(diào)節(jié) ） 中斷信號產(chǎn)生 信號傳輸電路 （ I2c /SPI） 另外還有電源復(fù)位模塊 ， 時鐘發(fā)生器等其他模塊。 芯片 ITG3205 應(yīng)用介紹 ITG3205 是世界第一個單芯片數(shù)字輸出 3 軸陀螺儀 ， 廣泛應(yīng)用在游戲 ， 3D 鼠標(biāo) ， 3D 遙控等領(lǐng)域。該器件具有更小的偏差和靈敏的溫度穩(wěn)定性 ， 降低了用戶的校準(zhǔn)要求 ， 比上一代產(chǎn)品具有更低的噪音 ， 并簡化了 應(yīng)用程序 ， 可更好的進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。 ITG3205 具有 3 個 16 位 ADC 輸出 ， 用戶可選擇內(nèi)部低通濾波器的帶寬 ，快速 I2C 接口 （ 400KHz） 。 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 信息工程系 11 圖 32 ITG3205模塊圖 三軸陀螺儀傳感器 ， 每軸具有獨(dú)立的 16 位 ADC 和信號處理單元 I2C 接口和串行通信 時鐘 傳感器數(shù)據(jù)寄存器 中斷 數(shù)字輸出溫度傳感器 偏置電壓調(diào)整和低壓差線性穩(wěn)壓器 電荷泵 I2C 總線應(yīng)用介紹 BMA180 和 ITG3205 需要通過 I2C 總線連接至單 片機(jī)。 I2C（ Inter－ 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 信息工程系 12 Integrated Circuit） 總線是由 PHILIPS 公司開發(fā)的兩線式串行總線 ， 用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。是微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。它是同步通信的一種特殊形式 ， 具有接口線少 ， 控制方式簡單 ， 器件封裝形式小 ， 通信速率較高等優(yōu)點。 I2C 總線支持任何 IC 生產(chǎn)過程 (NMOS CMOS、雙極性 ） 。兩線 ――串行數(shù)據(jù) （ SDA） 和串行時鐘 （ SCL） 線在連接到總線的器件間傳遞信息。每個器件都有一個唯一的地址識別 （ 無論是微控制器、 LCD 驅(qū)動器、存儲器或鍵盤接口 ），而且都可以作為一個發(fā)送器或接收器 （ 由器件的功能決定 ） 。很明顯 ， LCD 驅(qū)動器只是一個接收器 ， 而存儲器則既可以接收又可以發(fā)送數(shù)據(jù)。除了發(fā)送器和接收器外器件在執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸時也可以被看作是主機(jī)或從機(jī)。主機(jī)是初始化總線的數(shù)據(jù)傳輸并產(chǎn)生允許傳輸?shù)臅r鐘信號的器件。此時 ， 任何被尋址的器件都被認(rèn)為是從機(jī)。 I2C 總線特征 ： 只要求兩條總線線路 ： 一條串行數(shù)據(jù)線 SDA， 一條串行時鐘線 SCL； 每個連接到總線的器件都可以通過唯一的地址和一直存在的簡單的主機(jī) /從機(jī)關(guān)系軟件設(shè)定地址 ， 主機(jī)可以 作為主機(jī)發(fā)送器或主機(jī)接收器 ； 它是一個真正的多主機(jī)總線 ， 如果兩個或更多主機(jī)同時初始化 ， 數(shù)據(jù)傳輸可以通過沖突檢測和仲裁防止數(shù)據(jù)被破壞 ； 串行的 8 位雙向數(shù)據(jù)傳輸位速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá) 100kbit/s， 快速模式下可達(dá) 400kbit/s， 高速模式下可達(dá) ； 連接到相同總線的 IC 數(shù)量只受到總線的最大電容 400pF 限制。 由于連接到 I2C 總線的器件有不同種類的工藝 （ CMOS、 NMOS、 PMOS、雙極性 ），邏輯 0（ 低 ） 和邏輯 1（ 高 ） 的電平不是固定的 ， 它由電源 VCC 的相關(guān)電平?jīng)Q定 ，每傳輸一個數(shù)據(jù)位就產(chǎn)生一個時鐘脈沖。在傳輸數(shù)據(jù)的時候 ， SDA 必須在時鐘的高電平周期保持穩(wěn)定 ， SDA 的高或低電平狀態(tài)只有在 SCL 線的時鐘信號是低電平時才能改變 。 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 信息工程系 13 圖 33 I2C為傳輸數(shù)據(jù)有效性 SCL 線是高電平時 ， SDA 線從高電平向低電平切換 ， 這個情況表示起始條件 ；SCL 線是高電平時 ， SDA 線由低電平向高電平切換 ， 這個情況表示停止條件。起始和停止條件一般由主機(jī)產(chǎn)生 ， 總線在起始條件后被認(rèn)為處于忙的狀態(tài) ， 在停止條件的某段時間后總線被認(rèn)為再次處于空閑狀態(tài)。如果產(chǎn)生重復(fù)起始條件而不產(chǎn)生停止條件 ， 總線會一直處于忙的狀態(tài) ， 此時的起始條件 （ S） 和重復(fù)起始條件 （ Sr） 在功能上是一樣的。 圖 34 起始和停止條件 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 信息工程系 14 姿態(tài)檢測模塊圖 將 BMA180 和 ITG3205 通過 I2C 總線連接至單片機(jī) ， 模塊完整原理如圖 35： 圖 35 姿態(tài)檢測模塊原理圖 單片機(jī)控制單元模塊電路 控制原理 本次設(shè)計是以單片機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計的。在整個單片機(jī)姿態(tài)檢測系統(tǒng)中 ， CPU既是運(yùn)算處理中心 ， 又是控制中心 ， 是姿態(tài)檢測系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。本系統(tǒng)中選用 avr 單片機(jī) ATMEGA328， ATMEGA 可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng) ， 縮小系統(tǒng)體積 ， 提高系統(tǒng)可靠性 ， 降低系統(tǒng)成本 ， 原理如 圖 36。 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 信息工程系 15 圖 36 控制模塊原理圖 ATmega 328P 應(yīng)用介紹 AVR 單片機(jī)是 1997 年由 ATMEL 公司研發(fā)出 增強(qiáng)型內(nèi)置 Flash 的 RISC (Reduced Instruction Set CPU) 精簡指令集高速 8 位單片機(jī)。 AVR 的單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于計算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實時控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個領(lǐng)域。 AVR 單片機(jī)的推出 ， 徹底打破這種舊設(shè)計格局 ， 廢除了機(jī)器周期 ， 拋棄復(fù)雜指令計算機(jī) (CISC)追求指令完備的做法 ； 采用精簡指令集 ， 以字作為 指令長度單位 ， 將內(nèi)容豐富的操作數(shù)與操作碼安排在一字之中 (指令集中占大多數(shù)的單周期指令都是如此 )， 取指周期短 ， 又可預(yù)取指令 ， 實現(xiàn)流水作業(yè) ， 故可高速執(zhí)行指令。當(dāng)然這種速度上的升