雙軸加速度感應器ADXL202及其應用設計

雙軸加速度感應器ADXL202及其應用設計時間：2009-01-05 10:08:33 來源：單片機與嵌入式系統 作者：北京交通大學 翟飛飛 趙振 陳潤深 戴勝華

引 言
   
ADXL202是ADI公司出品的一款雙軸加速度測量系統，類比輸入，可測量動態加速度和靜態加速度，測量範圍為±(2～10)g，輸出為周期可調的脈寬
調製訊號，可以直接與單片機或計數器串連。LPC2103為飛利浦公司的一款ARM7系列微控制器，主要用於工業控制、醫學系統、存取控制、POS機、通
信網關等領域。本文使用LPC2103實現對ADXL202加速度資料的採集與處理。

1 ADXL202加速度感應器
1．1 ADXL202的引腳定義及基本特性
   
ADXL202為單片整合電路，整合度高、結構簡單，內部包含多晶矽表面微處理感應器和訊號控制電路，以實現開環加速度測量結構。與其他加速度計相
比，ADXL202可在很大程度上提高工作頻寬，降低雜訊影響，零重力偏差和溫度漂移也相對較低。圖1所示為ADXL202感應器的引腳定義。

    ST：自檢，用於控制晶片自檢功能。接VDD時，輸出占空比為10％的波形，說明晶片正常工作。
    COM：引腳4、7。使用時需將2個COM端接在一起並接地。
    T2：經電阻RSET接地，調節輸出訊號周期。輸出訊號周期T2=RSET／(125 MΩS-1)。
    VDD：電源。工作電壓範圍為+3．O～+5．25 V，可經過100Ω的去耦電阻接電源。
    XFILT、YFILT：經電容接地，用於改變頻寬、濾除雜訊和抑制零點漂移。
    Xout、Yout：輸出。
    圖2為ADXL202感應器的內部結構原理圖。

   
ADXL202感應器由振蕩器，X、Y方向感應器，相位檢波電路以及占空比調製器組成，具有數字輸出介面和類比電壓訊號輸出介面。X、Y方向感應器是2個
相互正交的加速度感應器，它們同時工作，可以測量動態變化的加速度和恒定的加速度。感應器之後級連相位檢波器，主要是用來修正訊號，並對訊號的方向做出判
斷。檢波器輸出的訊號，通過一個32 kΩ的電阻來驅動占空比調製器，通過在XFILT和YFILT引腳外接電容CX和CY來改變頻寬。
1．2 測量資料的計算及處理
    (1)訊號頻寬的計算
    通過CX和CY來設定頻寬，在XFILT和YFILT引腳接上電容，通過低通濾波器來減少雜訊。3 dB頻寬的公式為：
    f=5 μF／C(x，y) (電容最小值為l 000 pF)
    (2)加速度的計算
    輸出訊號周期T2=RSET／(125 MΩs-1)，3所示。

    訊號通過低通濾波器之後，占空比調製器把訊號轉換為數字訊號輸出。通過T2引腳的外接電阻可以改變T2的周期(O．5～10 ms)，這很適於在精度要求不同的場合下使用。輸出的占空比訊號通過計數器可以計算出占空比。加速度的計算可以通過下式得到：

   
    例如，當加速度為0g時，訊號寬度T1與空閑寬度(T2一T1)相同，輸出訊號的占空比為50％；當加速度為1g時，訊號寬度T1與空閑寬度(T2一T1)的比值為5：3，輸出訊號的占空比為62．5％。
1．3 ADXL202的典型應用
    ADXL202感應器最重要的應用之一是傾斜度的測量。在進行傾斜度測量時，需要讓感應器的敏感軸(x軸)與重力方向垂直。如果與重力方向平行，物體傾斜對於加速度資料的影響可以忽略不計。圖4所示為加速度測量的原理圖。

    當ADXL202與重力向量垂直時，其輸出隨傾斜度的變化大約為每度17．5 mg，當兩者呈45°時，輸出變化值僅為每度12．2 mg，解析度降低。表1為傾斜角度與加速度變化的關係。

2 應用電路設計
2．1 硬體介面設計
    LPC2103
是一個支援即時模擬和跟蹤的32位ARM7TDMI—S CPU，並帶有8 KB片內SRAM和32
KB嵌入的高速片內Flash記憶體。LPC2103具有LQFP48的較小封裝、極低的功耗、多個32位定時器、8路10位ADC、2個外部中斷、最多可
達32個GPIO。通過可程式化的片內PLL(可能的輸入頻率範圍：10～25 MHz)可實現最高70
MHz的CPU時鐘頻率。ADXL202感應器與LPC2103的介面電路5所示。

   
ADXL202加速度感應器的T2經125 kΩ電阻接地，可以得到訊號輸出的周期為1 ms。13、14引腳接+5
V電源，XFILT和YFILT經O．1μF電容接地，用於設定50
Hz頻寬。兩路輸出分別與LPC2103的PO．O和PO．2引腳相接，作為資料轉送線。資料轉送有兩種方法，分別為普通GPIO口方式和定時器捕獲中斷
方式。
2．2 普通GPIO口方式
   
由於感應器輸出均為DCM訊號，無論採用什麼方式進行資料接收，都需要定時器／計數器工作，對DCM訊號進行計時處理。因此，程式首先要對定時器進行初始
化。然後分別對DCM訊號的高電平和低電平期間進行計時，得到T1、T2的值，再進行加速度計算。由於預設情況下GPIO均為普通I／0方式，所以開
始不用設定PIN—SEL寄存器。普通GPIO口方式程式如下：

   
普通GPIO口方式的程式比較簡單，雖然程式的執行需要時間，但由於LPC2103的主頻可以達到40
MHz，執行幾條指令只需幾微秒，所以產生的誤差會很小。但普通GPIO方式程式執行時，CPU一直在等待上升沿或下降沿的到來，大大降低了CPU的使用
效率。可以使用圖5所示Xout與LPC2103的介面方式。
2．3 定時器捕獲中斷方式
    5所示，Yout與LPC2103的PO．2引腳相接，利用P0．2的功能複用，可以實現定時器捕獲中斷方式接收感應器資料。主要程式段如下：

    中斷處理常式運行之後，得到的訊號周期應為T2=t1+t2。故加速度為(((fp32)t1／((fp32)t2+(fp32)t1))一O．5)*8。使用中斷服務程式大大提高了CPU的使用效率，但程式較為複雜，並且佔用了一個中斷向量通道。

結 語
   
ADXL202感應器的應用方法經過驗證完全可行，並且能夠達到較高的測量精度。由於整合度高，由ADXL202和ARM系列微控制器組成的系統完全可以
用於汽車、火車等交通工具的安全控制系統。ADXL202在慣性導航、傾斜感應、地震監控及汽車保險等領域都有著廣泛的應用，精度高、整合度高、功耗低等
特點使之完全可以取代傳統的加速度感應器。