發布日期：2022-10-09 點擊率：68
【導讀】現代控制系統中，角度的測量裝置屬于最關鍵的，也是精度最高的部件。因為其測量精度直接關系到系統的性嫩和精度。目前，雙軸加速度傳感器的加入更加有效地實現了高精度的角度測量。
在現代控制系統中，角度測量裝置是非常關鍵的需要高精度的部件，其測量精度直接影響著整個系統的性能和精度。例如施工升降機上有角度測控機構來控制起降;火箭炮瞄準系統中都有大量的角度傳感器，實時檢測炮塔偏轉角度，以便對火箭炮瞄準進行調整。目前已有的利用的加速度傳感器實現高精度角度測量的研究，主要側重于單軸的角度測量。本文將重點討論利用雙軸加速傳感器ADXL202實現高精度角度測量的軟硬件方法。
1 角度測量儀系統硬件方案設計
本角度測量儀采用STM32F107作為數據處理的核心芯片。這是一款低功耗、高速度的32位處理器，擁有Cortex-M3內核。角度測量模塊使用的是高精度、低功耗的雙軸加速度傳感器ADXL202，能將加速度信號轉換成數字方波信號輸出，可直接與STM32F107連接，通過一定的算法即可計算出當前的傾斜角度。顯示模塊使用的是12864ZW型128×64的點陣液晶顯示器，圖1所示為角度測量儀硬件結構框圖。
圖1 角度測量儀硬件結構框圖
2 角度測量模塊
角度測量模塊使用的是ADI公司出品的低成本、低功耗、高精度的雙軸加速度傳感器ADXL202，其測量范圍為-2g～+2g，既能測量動態加速度，又能測量靜態加速度。它的工作電壓是3.0～5.25 V，工作電流低于0.6 mA，最高主頻可達到70 MHz，所以從功耗、靈敏度和精確度考慮，選擇ADXL202作為角度測量模塊的核心芯片。圖2是它的功能結構框圖。
圖2 ADXL202的功能結構框圖
由圖2可知，ADXL202是基于單片集成電路的完善的雙軸加速度測量系統，對X、Y軸而言，輸出環路將加速度信號轉換為脈寬占空比的數字信號輸出，這些數字信號可直接傳輸給STM32F107，無需A/D轉換或其他附加的其他電路。
ADXL202由振蕩器、X和Y軸傳感器、相位解調器和脈寬占空比解調器組成，它的功能實現過程是，X、Y軸傳感器受到加速度力后輸出振幅變化的方波，輸出方波的振幅與加速度成正比。相位解調器能夠對輸出的方波信號進行修正并提取信息，然后判斷加速度方向。相位解調器的輸出會經過一個低通濾波電路，可以通過改變濾波電容的大小來設置輸出信號的帶寬。經過低通濾波的模擬信號進入DCM，被轉換為脈寬占空比信號輸出。
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2.1 角度測量模塊硬件電路設計
為保證ADXL202高精度穩定的工作，需要根據芯片技術文檔和實際使用情況，來配置信號周期、濾波電容(決定信號的帶寬)。
ADXL202的輸出信號是脈寬占空比調制信號，占空比T1/T2與被測加速度成正比。0g時，其輸出為50%占空比，靈敏度為每g所引起的脈寬占空比變化12.5%。查閱芯片的技術文檔，可以通過電阻RSET來設定DCM的周期：
T2=RSET/125 MΩ (1)
在X、Y方向上的加速度分量值可由下式計算：
A(g)=(T1/T2-0.5)/12.5% (2)
表1是芯片的技術文檔提供的RSET和T2配置表。我們選擇125 kΩ的RSET，將周期T2設定為1 ms。
ADXL202通過XFILT、YFILT外接電容CX、CY來設定ADXL202的帶寬，這個帶寬決定了它的測量精度，同時電容CX、CY可以去混疊和濾波。為了使脈寬占空比的誤差最小，模擬帶寬應比脈寬占空比的頻率低1/10。對技術文檔提供的表2進行分析，并考慮設定T2為1 ms，脈沖占空比頻率為1 kHz，為滿足實際需要和DCM誤差最小的要求，選擇0.05μF的濾波電容，此時模擬帶寬為100 Hz。
引腳連接的規范：13、14是兩個電壓輸入引腳VDD，直接與5 V電源連接，同時連接退耦電容CDC，推薦使用0.1μF;4、7是兩個接地引腳COM，直接接地;2腳VTP保持開路，不與其他任何引腳相連;3腳ST是自檢輸入端，當接VDD時能檢查加速度計的功能，平時該引腳開路，也可與COM相連。引腳配置如圖3所示。
圖3 ADXL202引腳配置
根據芯片的引腳配置圖和以上的各類配置，可以設計角度檢測模塊的硬件電路，其電路原理如圖4所示，其脈沖輸出端直接與STM32F107的I/O口相連。
圖4 角度采集原理圖
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2.2 ADXL202測角度工作原理
ADXL202水平放置時的傾角如圖5所示。
ADXL202水平放置時，沿X軸和Y軸方向的加速度分量大小與重力的關系為：
AX=g·sin(α)， AY=g·sin(β) (3)
式中，AX、AY分別代表加速度計的兩個軸上的分量輸出，g是以重力作為參考的加速度值，而α、β是傾斜角度。由反正弦函數即可以得到傾斜角度為：
α=sin-1(AX/g)，β=sin-1(AY/g) (4)
圖5 ADXL202水平放置時的傾角
ADXL202垂直放置時的傾角如圖6所示。
圖6 ADXL202垂直放置時的傾角
加速度傳感器在豎直初始位置時，沿X軸和Y軸方向的加速度分量大小與重力的關系為：
γ=sin-1(AX/g)， δ=sin-1(AY/g) (5)
此角度測量儀的工作原理是：ADXL202將加速度信號轉換為脈寬占空比輸出，STM32F107接收這個數字脈沖信號，利用STM32F107的輸入捕獲功能來測量脈沖信號的高電平脈寬。然后，計算出高電平脈寬的準確時間T1，由式(2)得到X、Y方向上的加速度分量A(g)。最后，由式(4)(5)分別求出芯片在水平狀態或垂直狀態下的傾角。
3 數據處理模塊
STM32F107采用的是ARM Cortex—M3內核，工作電壓為3.3 V，時鐘頻率達到72 MHz。該芯片系統資源和外圍接口豐富，內部集成專用時鐘、復位以及電源管理模塊，支持多種工作模式。由于STM32F107芯片的性能、成本和功耗方面的特點，選擇它作為數據處理模塊。更重要的是STM32F107的定時器除了TIM6和TIM7，都有輸入捕獲功能。
3.1 輸入捕獲功能應用于角度測量的工作原理
以TIM2定時器實現輸入捕獲功能為例。TIM2有4個獨立通道，通過檢測TIM2_CH1通道上的邊沿信號，在邊沿信號發生跳變(比如上升沿/下降沿)的時候，將當前定時器的值存放到TIM2_CH1的捕獲/比較寄存器里面，完成一次捕獲。這就是STM32F107所具有的輸入捕獲功能。
將ADXL202的Xout、Yout引腳輸出接到STM32F107的34、35引腳(PA0、PA1)上，由STM32F107的原理圖可知，34、35引腳控制TIM2_CH1和TIM2_CH2兩個通道。用TIM2_CH1來捕獲Xout的數字方波信號的高電平脈沖，首先配置此通道的輸入捕獲為上升沿檢測。當檢測到上升沿時，進入中斷將計數器清零重新開始計數，并配置通道的輸入捕獲為下降沿捕獲;當檢測到下降沿時，進入中斷讀取計數器的值，由計數值和計數頻率可得到高電平的脈寬，即T1。然后通過以下兩個公式：
A(g)=(T1/T2-0.5)/12.5% (6)
α=sin-1(Ax/g)， β=sin-1(AY/g) (7)
計算得出當前的傾角，之后將結果傳輸給液晶顯示屏顯示結果。式中T2=1 ms。此處僅討論芯片水平放置時的情況，當芯片垂直放置時，用式(5)即可。
3.2 采集和處理數據的方法
ADXL202有兩路輸出信號Xout、Yout，而且它們是同時工作的，而STM32F107是順序處理器，一個時間點上只能處理一路信號。我們采用分時復用的方法解決，以1 s為時間點，在這1 s內，STM32F107只采集處理一條通道內的信號和數據，到下一秒時就采集處理另一條通道上的信號和數據。還應該注意一個問題，計數器在檢測到上升沿時開始計數，等下降沿到來停止計數的時間內，脈寬過長時計數器會發生溢出，所以必須記錄下溢出次數。在最后計算計數器的值時，將溢出次數乘以計數器的寬度加上當前計數器的值，即為總的計數值。
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4 角度測量儀系統的程序設計
使用STM32F107的輸入捕獲功能，需要通過程序配置內部寄存器的初始狀態，以此來滿足角度測量儀的工作需求。
①開啟GPIO和TIM2的時鐘，通過內部的庫函數RCC_APB2PeriphClockCmd、RCC_APB1PeriphClockCmd來控制兩個時鐘的開啟。為了采集TIM 2_CH1和TIM2_CH2上的高電平脈寬，需配置PA0和PA1為下拉輸入。
②初始化TIM2，設定TIM2的輸入捕獲自動重裝載值為0xfffe，計數頻率為1 MHz。
③使能輸入捕獲、中斷、計數器，通過STM32F107的庫函數能方便地配置。
由角度測量和輸入捕獲原理可得系統的程序流程圖，如圖7所示。
圖7 系統程序流程圖
5 調試和測量結果
在室溫下進行調試。當角度測量儀沒有傾斜時，液晶屏上顯示的結果并不為零，其原因是ADXL202安裝無法完全水平。芯片安裝后本身存在傾角，這是不可避免的。雖然調試環境是在室溫下，但是實際使用的環境可能是溫度變化較大的場合，零漂和靈敏度隨溫度的漂移將會很嚴重，直接測量時會導致很大的角度誤差，因此，必須采取某種形式的溫度補償方法來解決。
當角度測量儀有傾斜時，測量結果與實際值有較大誤差。經分析是輸入捕獲的計數器有誤差。經將干擾和毛刺計數進來，所以應該添加濾波電路，同時計數器的值采用多次計數取平均值的方法，以此提高計數的精度。
角度測量儀的測量結果如圖8所示。
圖8 角度測量儀的測量結果
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