MMA7361L的高精度角度檢測平臺設計

　　摘要：在很多控制系統中，角度值是一個十分重要的物理參數。例如起重機和升降機上都要有角度測控機構來控制起降高度；飛行器自動駕駛系統中都有大量的角度傳感器，實時檢測飛機偏轉角度，以便對飛行姿態進行調整。目前已有利用加速度傳感器實現高精度角度測量的設計研究，但主要側重于單軸的測量，同時進行三軸測量的研究設計鮮有報道。本文將重點討論采用三軸加速度傳感器MMA7361L實現高精度角度檢測的軟硬件方法。
　　
　　引言
　　
　　在很多控制系統中，角度值是一個十分重要的物理參數。例如起重機和升降機上都要有角度測控機構來控制起降高度；飛行器自動駕駛系統中都有大量的角度傳感器，實時檢測飛機偏轉角度，以便對飛行姿態進行調整。目前已有利用加速度傳感器實現高精度角度測量的設計研究，但主要側重于單軸的測量，同時進行三軸測量的研究設計鮮有報道。本文將重點討論采用三軸加速度傳感器MMA7361L實現高精度角度檢測的軟硬件方法。
　　
　　1、角度檢測儀硬件平臺設計
　　
　　采用了高精度三軸加速度傳感器MMA7361L作為角度檢測模塊，數據處理采用的帶A／D轉換功能的STM32F103VE芯片，采用I2C接口的AT24C02A芯片進行周期性數據存儲，采用1602液晶模塊對角度值進行實時顯示，為了擴展系統功能，采用4×4鍵盤對系統模式進行設置。同時采用聲光報警電路，當角度超過設定上*，進行聲光報警提示。角度檢測儀硬件平臺結構框圖如圖1所示。　　
　　1．1STM32F103VE控制器
　　
　　本系統采用新一代低功耗高速工業級芯片STM32F103VE作為控制器核心，芯片采用更優化的32位ARMCortex-M3內核，時鐘頻率達到72MHz。該芯片系統資源和外圍接口豐富，內部集成時鐘、復位以及電源管理模塊，支持多種工作模式，內含2個12位高速ADC、80個快速I／O口、7個定時器和多達9個通信接口。
　　
　　1．2MMA7361L角度檢測模塊設計
　　
　　MMA7361L是一種超低功耗、小型電容式的微機械加速度傳感器。該傳感器可以采用1．5g或6g靈敏度重力選擇模式，具有信號調理、一階低通濾波、溫度補償、自檢、帶有線性自由落體檢測和零重力檢測等功能。工作電壓為2．2～3．6V，工作電流為400μA，設置為睡眠模式時工作電路僅為3μA。從靈敏度、功耗角度考慮，采用MMA7361L作為角度檢測模塊的核心芯片。MMA7361L角度檢測模塊電路如圖2所示。　　
　　2、角度檢測儀軟件平臺設計
　　
　　2．1軟件平臺整體結構
　　
　　幾乎所有的嵌入式產品中都需要嵌入式軟件來提供靈活多樣而且可為應用定制的功能。為了便于今后產品功能擴展，采用精簡的μC／OS-II操作系統作為軟件平臺的支撐。角度檢測儀軟件體系結構如圖3所示。其中zui底層為設備驅動程序層，主要是進行處理器初始化和驅動各外設電路模塊；第2層為嵌入式μC／OS-II操作系統，主要是管理系統的軟硬件資源，以及上層應用和操作底層驅動接口；第3層為應用程序，主要是系統調用和實現OS級別功能。　　
　　2．2MMA7361L角度測試驅動實現
　　
　　MMA7361L是一款高精度的模擬三軸加速度傳感器，其精度模式可以選擇1．5g或6g兩種。從工程需要的角度選擇1．5g模式，其精度為800mV／g，將g-Select引腳置為低電平。在正常工作狀態，Sleep引腳需要置為高電平。同時啟動SelfTest模式，芯片在工作之前先完成內部自檢。
　　
　　MMA7361L三軸加速度傳感器實現角度測試，其核心算法是建立輸出電壓和角度之間的函數映射關系。零傾斜角度的選擇對于測量儀的精度影響比較大，本文先以MMA7361L傳感器X軸方向的傾角計算為例加以說明，Y軸、Z軸的角度測量方法類似。在本文中取傳感方向x軸與重力加速度g垂直時的狀態為零傾斜角度，當傾角為θ時，x軸方向傾角測量圖示如圖4所示。　　
　　傳感方向x軸方向的重力加速度分量是g1（θ）=gsinθ，當θ→0時有：　　
　　可以看到，當傾斜角θ為一個小角度時，其角度的變化率（即導數）越大并趨向于g，這樣有助于提高小角度測量的分辨率，因此該零傾斜角度的選擇方式有助于小角度的測量。由于傳感器的加速度分量與其電壓成正比，且精度是800mV／g，因此傾角。
　　
　　在算法分析的基礎上，該加速度傳感器的角度測試的驅動程序得以實現。其核心部分可以用如下代碼實現：　　
　　Y軸、Z軸的角度也可以用類似的方法得到。另外為了便于系統管理，軟件部分采用實時精簡的嵌入式操作系統μC／OS-II，可以將角度測量、鍵盤、顯示作為若干個任務進行管理。　　
　　3、結語
　　
　　本文論述了一種基于MMA7361L的高精度智能角度測量儀的設計與實現方法，構建了角度測量儀的軟硬件平臺，同時對MMA7361L角度檢測算法進行了詳細的介紹，并給出了實現代碼。實驗測試證明，該測量儀具有高精度和良好的可靠性，且成本低，應用前景非常廣闊。