基于双轴加速度传感器的新型角度测量系统设计 施工升降机, 控制系统, 火箭炮, 加速度, 传感器

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在现代控制系统中，角度测量装置是非常关键的需要高精度的部件，其测量精度直接影响着整个系统的性能和精度。例如施工升降机上有角度测控机构来控制起降；火箭炮瞄准系统中都有大量的角度传感器，实时检测炮塔偏转角度，以便对火箭炮瞄准进行调整。目前已有的利用的加速度传感器实现高精度角度测量的研究，主要侧重于单轴的角度测量。本文将重点讨论利用双轴加速传感器ADXL202实现高精度角度测量的软硬件方法。

1角度测量仪系统硬件方案设计

本角度测量仪采用STM32F107作为数据处理的核心芯片。这是一款低功耗、高速度的32位处理器，拥有Cortex-M3内核。角度测量模块使用的是高精度、低功耗的双轴加速度传感器ADXL202，能将加速度信号转换成数字方波信号输出，可直接与STM32F107连接，通过一定的算法即可计算出当前的倾斜角度。显示模块使用的是12864ZW型128×64的点阵液晶显示器，图1所示为角度测量仪硬件结构框图。


图1角度测量仪硬件结构框图

2角度测量模块

角度测量模块使用的是ADI公司出品的低成本、低功耗、高精度的双轴加速度传感器ADXL202，其测量范围为-2g～+2g，既能测量动态加速度，又能测量静态加速度。它的工作电压是3.0～5.25 V，工作电流低于0.6 mA，最高主频可达到70 MHz，所以从功耗、灵敏度和精确度考虑，选择ADXL202作为角度测量模块的核心芯片。图2是它的功能结构框图。


图2 ADXL202的功能结构框图

由图2可知，ADXL202是基于单片集成电路的完善的双轴加速度测量系统，对X、Y轴而言，输出环路将加速度信号转换为脉宽占空比的数字信号输出，这些数字信号可直接传输给STM32F107，无需A/D转换或其他附加的其他电路。

ADXL202由振荡器、X和Y轴传感器、相位解调器和脉宽占空比解调器组成，它的功能实现过程是，X、Y轴传感器受到加速度力后输出振幅变化的方波，输出方波的振幅与加速度成正比。相位解调器能够对输出的方波信号进行修正并提取信息，然后判断加速度方向。相位解调器的输出会经过一个低通滤波电路，可以通过改变滤波电容的大小来设置输出信号的带宽。经过低通滤波的模拟信号进入DCM，被转换为脉宽占空比信号输出。

2.1角度测量模块硬件电路设计

为保证ADXL202高精度稳定的工作，需要根据芯片技术文档和实际使用情况，来配置信号周期、滤波电容（决定信号的带宽）。

ADXL202的输出信号是脉宽占空比调制信号，占空比T1/T2与被测加速度成正比。0g时，其输出为50%占空比，灵敏度为每g所引起的脉宽占空比变化12.5%.查阅芯片的技术文档，可以通过电阻RSET来设定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计算：

A（g）=（T1/T2-0.5）/12.5% （2）

表1是芯片的技术文档提供的RSET和T2配置表。我们选择125 kΩ的RSET，将周期T2设定为1 ms.




ADXL202通过XFILT、YFILT外接电容CX、CY来设定ADXL202的带宽，这个带宽决定了它的测量精度，同时电容CX、CY可以去混叠和滤波。为了使脉宽占空比的误差最小，模拟带宽应比脉宽占空比的频率低1/10.对技术文档提供的表2进行分析，并考虑设定T2为1 ms，脉冲占空比频率为1 kHz，为满足实际需要和DCM误差最小的要求，选择0.05μF的滤波电容，此时模拟带宽为100 Hz.




引脚连接的规范：13、14是两个电压输入引脚VDD，直接与5 V电源连接，同时连接退耦电容CDC，推荐使用0.1μF；4、7是两个接地引脚COM，直接接地；2脚VTP保持开路，不与其他任何引脚相连；3脚ST是自检输入端，当接VDD时能检查加速度计的功能，平时该引脚开路，也可与COM相连。引脚配置如图3所示。



图3 ADXL202引脚配置

根据芯片的引脚配置图和以上的各类配置，可以设计角度检测模块的硬件电路，其电路原理如图4所示，其脉冲输出端直接与STM32F107的I/O口相连。


图4角度采集原理图