一、引言
微機(jī)械慣性器件是微機(jī)電系統(tǒng)重要的研究內(nèi)容,微慣性器件包括微陀螺和微加速度傳感器。采用微機(jī)電技術(shù)制造的微加速度傳感器在壽命、可靠性、成本、體積和重量等方面都要大大優(yōu)于常規(guī)的加速度傳感器,使得其無論在民用領(lǐng)域,還是在軍用領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。本文就是采用美國ADI公司出品的低功耗，功能完善的雙軸加速度傳感器。ADXL202E作為斜度測量的傳感器，給出了由ADXL202E與單片機(jī)AT89C52組成的斜度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例。
二、ADXL202E簡介
1、ADXL202E特點(diǎn)
ADXL202E是一種低成本、低功耗、功能完善的、集雙軸加速度傳感器于一體的單塊集成電路。它既可測量動態(tài)加速度, 又可測量靜態(tài)加速度，其測量范圍為±2g。它既具有模擬信號輸出，又有脈寬占空比輸出。ADXL202E最大可承受1000g的劇烈沖擊。圖1為ADXL202E的引腳排列圖和引腳功能[1]。
2、測量原理
ADXL202E是基于單塊集成電路的完善的雙軸加速度測量系統(tǒng)。它是一個(gè)以多晶硅為表面的微電機(jī)傳感器和信號控制環(huán)路來執(zhí)行操作的開環(huán)加速測量結(jié)構(gòu)。對每根軸而言, 輸出環(huán)路將模擬信號轉(zhuǎn)換為脈寬占空比的數(shù)字信號。這些數(shù)字信號直接與微處理器接口。ADXL202E可測量正負(fù)加速度，其最大測量范圍為±2g。ADXL202E也可測量靜態(tài)加速度，可用作斜度測量。傳感器采用在硅片上經(jīng)表面微加工的多晶硅結(jié)構(gòu)，用多晶硅的彈性元件支撐它并提供平衡加速度所需的阻力。結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)是通過由獨(dú)立的固定極板和附在移動物體上的中央極板組成的可變電容來測量的。固定極板通過方波的每p個(gè)相位控制。加速度計(jì)受到加速度力后改變了可變電容的平衡，使輸出方波的振幅與加速度成正比。而相位解調(diào)技術(shù)用來提取信息判斷加速方向。解調(diào)器的輸出通過32kW的固定電阻輸出到脈寬占空比解調(diào)器。這時(shí)，允許用戶改變?yōu)V波電容的大小來設(shè)置輸出信號的帶寬。這種濾波提高了測量的精度，并有效地防止頻率混疊。經(jīng)過低通濾波后，模擬信號由DCM轉(zhuǎn)換為脈寬占空比信號。通過一個(gè)電阻RSET將T2設(shè)定在0.5ms～10ms范圍內(nèi)。在0g加速度時(shí)使輸出占空比為 50%。加速度可由一計(jì)數(shù)/計(jì)時(shí)器或低功耗的微控制器通過測量T1，T2來測得。
模擬輸出信號可通過以下兩種方法獲得：一種從XFILT和YFILT 管腳得到；一種是通過RC濾波器對脈沖信號濾波后得到的dc 值推算。
三、斜度測量電路設(shè)計(jì)
1、濾波器設(shè)計(jì)
ADXL202E可以測量靜態(tài)加速度,也可以測量動態(tài)加速度，其最大測量帶寬為5000Hz。帶寬(W)是由低通濾波器的參數(shù)確定的。RFILT（濾波器阻值）可在額定值32kW的±25%范圍內(nèi)變動，相應(yīng)地帶寬也隨之變化。在本設(shè)計(jì)中RFILT為32kW。因此，加速度信號的帶寬則由XFILT和YFILT 引腳外接電容設(shè)定。電容必須安裝在緊靠引腳處，,用以混疊和抑制噪聲。3dB帶寬計(jì)算公式如下[1]：
F（-3dB）= 1/2P[32kW×C(X, Y)]
即：F（-3dB）= 5mF/ C(X, Y) （1）
可見電容選取越小，信號帶寬越寬，分辨率越高。C(X，Y)為濾波器的電容值，主要確定帶寬C(X，Y)。另外，在任何情況下，C(X，Y)的最小電容值為1000pF 。在本設(shè)計(jì)中選定C(X，Y)為100nF，即加速度模擬信號帶寬為50Hz。
ADXL202E的噪聲特點(diǎn)是在所有頻率下都是同樣大的白色高斯噪聲，以mg/ 為單位，即噪聲與加速度信號帶寬平方根成正比。
ADXL202E的典型噪聲值可用以下公式[1]計(jì)算:
Noise(rms)=(200mg/
)× 
（2）
由于本設(shè)計(jì)中加速度信號帶寬為50Hz ，所以噪聲均方值為1.79mg。
故ADXL202E的XFILT和YFILT引腳接0.1mF電容使得模擬輸出帶寬為50Hz、輸出附帶噪聲為1.79mg。同時(shí)，ADXL202E的XFILT和YFILT引腳產(chǎn)生與斜度相對應(yīng)的模擬信號。
ADXL202E感應(yīng)的重力分量的變化在+1g和-1g之間。，在0g時(shí)有：
OFFSET（偏置帶）=2.5V±0.4V （5）
Sensitivity（靈敏度）=167 mV/g ±17 % （6）
2、DCM 的周期設(shè)定：
利用RSET設(shè)定DCM 的周期：有兩個(gè)通道的DCM的周期是通過電阻RSET來設(shè)定。計(jì)算公式為[1]:T2=RSET(W)/125MW。器件可在周期0.5ms～10ms范圍內(nèi)運(yùn)行。在本設(shè)計(jì)中選定RSET為330kW，即DCM周期為2.64ms。 RSET 應(yīng)安裝在靠近T2引腳處，以使分布電容最小。
3、模擬信號處理電路
由于ADXL202E內(nèi)部32kW電阻的影響，使得XFILT和YFILT的模擬輸出驅(qū)動力不足，所以需要在XFILT和YFILT之后分別加上一個(gè)通過LM324運(yùn)算放大器構(gòu)成的跟隨器，用來增加驅(qū)動。再通過上面選定的元件參數(shù)可以得到ADXL202E的模擬信號圖，如圖2所示。
4、參數(shù)標(biāo)定
在斜度測量時(shí)，重力系統(tǒng)是最穩(wěn)定、最精確、應(yīng)用最廣泛的參照系。使裝置的方向與水平面平行便可得到0g時(shí)的校準(zhǔn)值。
由于器件參數(shù)的差異, 芯片的基本參數(shù)、同一器件兩個(gè)不同軸向的參數(shù)也有差異。因此,當(dāng)要求測量精度較高時(shí)，仍使用參數(shù)典型值就會引起誤差。
要提高測量的精度,就需要在測量前對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行認(rèn)真校準(zhǔn)。使用重力矢量做為參考的話，則要將測量范圍設(shè)定在1g和-1g之間。當(dāng)X(Y)軸指向1g時(shí)，傳感器的輸出為最大值，記作A；當(dāng)X(Y)軸指向-1g時(shí)，傳感器的輸出為最小值，記作B。則計(jì)算靈敏度Sensitivity公式為：
Sensitivity 
（7）
四、單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)
單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為下位機(jī)和上位機(jī)兩個(gè)部分。下位機(jī)采用常用的AT89C52作為處理器，模數(shù)轉(zhuǎn)換采用具有10位精度的TLC1543[3]作為A/D轉(zhuǎn)換器件，采用X5045[2]作為看門狗芯片，穩(wěn)壓源采用LM336。上位機(jī)采用Visual Basic 6.0進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括參數(shù)標(biāo)定，實(shí)時(shí)監(jiān)測界面設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。
1、A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
ADXL202E感應(yīng)的重力分量的變化在＋1g～-1g之間，而傳感器ADXL202E的供電電壓為+5V，所以輸出模擬量的線性變化在+2.1～+2.9V之間。為了不損失A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC1543的采樣精度，在TLC1543的REF+端接+3V，REF-端接+2V。為了得到穩(wěn)壓電源，需要采用LM336芯片，從而得到穩(wěn)定電壓-5V，再通過運(yùn)算放大器LM324組成負(fù)反饋放大電路，最終得到參考源所需要的+3V和+2V。其電路如圖4所示。
2、看門狗電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用串行X5045芯片作為看門狗芯片。該芯片上電時(shí),當(dāng)電源電壓超過4.5V，經(jīng)過200mS的穩(wěn)定時(shí)間后RESET由高電平變?yōu)榈碗娖健５綦姇r(shí)，電源電壓低于4.5V時(shí)，RESET信號立刻變?yōu)楦唠娖讲⒁恢北３值诫娫椿謴?fù)到穩(wěn)定為止。另外，EEPROM芯片內(nèi)部還具有大小為4096位EEPROM，可以作為數(shù)據(jù)的掉電保護(hù)存儲空間。
五、上位機(jī)監(jiān)測界面設(shè)計(jì)
上位機(jī)采用Visual Basic6.0進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要完成監(jiān)測界面的設(shè)計(jì)，對串口數(shù)據(jù)的正確接收，包括對ADXL202E參數(shù)標(biāo)定，監(jiān)測曲線顯示等必要的功能。
圖3為設(shè)計(jì)后的監(jiān)測平臺，從圖3中1處可以觀測到俯仰角和旋轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化的曲線；從圖3中3處可以觀測傳感器節(jié)點(diǎn)的斜度隨時(shí)間在±180°之間變化；從圖3中2處可以觀測到單位為mg的加速度變化，通過這個(gè)監(jiān)測界面還可以實(shí)時(shí)的觀測傳感器節(jié)點(diǎn)由于振動等原因引起的輸出信號振蕩。從圖3中4處為監(jiān)測平臺的控制面板，通過控制面板可以對傳感器參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，可以觀測傳感器實(shí)時(shí)輸出的數(shù)據(jù)。
對于測得的靜態(tài)加速度，需要將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的工程量，在這里主要分為兩種情況：
（1）雙軸加速度傳感器的X軸和Y軸測得的加速度值A(chǔ)x和Ay可以通過如下公式轉(zhuǎn)換為傾斜度：
俯仰角 
（8）
旋轉(zhuǎn)角 
（9）
（2）因雙軸加速度傳感器的X軸和Y軸方向互為垂直，所以也可利用來測量滿周為360°的斜度。當(dāng)其中一個(gè)傳感器的輸出值為最大時(shí)，另一個(gè)傳感器的輸出值為最小。
六、結(jié)束語
應(yīng)用上述的設(shè)計(jì)方法及其要點(diǎn)，通過反復(fù)調(diào)試實(shí)現(xiàn)了對斜度（靜態(tài)加速度）的測量，達(dá)到了預(yù)期目的。實(shí)踐證明ADXL202E非常適合于頻率變化較為緩慢、加速度不太大的測量。在充分考慮各種因素的基礎(chǔ)上，合理設(shè)置有關(guān)參數(shù),就可以得到很好的精度。
