中心議題：

• 對于A(yíng)DIS16365的概述
• 慣性測量系統硬件設計
• 慣性測量系統軟件設計

解決方案：

• 以L(fǎng)M3S8962為核心處理器
• 以ADIS16365為慣性傳感器
• 結合了ADI公司的iMEMS和混合信號處理技術(shù)

引言　　

慣性傳感器包括加速度計、加速度傳感器，角速度傳感器以及它們的單、雙、三軸組合IMU（慣性測量單元），AHRS（包括磁傳感器的姿態(tài)參考系統），它的應用領(lǐng)域十分廣泛。近年來(lái)，基于MEMS（微機電系統）技術(shù)的微機械慣性器件日漸成熟，用MEMS慣性器件構成慣性系統已成為目前慣性技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)?！?br />
傳統研究方法是先建立數學(xué)模型，后期采用數據處理算法來(lái)糾正誤差。在慣性系統的應用中，這不僅要求數學(xué)模型準確可靠，而且普通的微控制器由于處理速度限制，而很難處理如此大的數據量，采用高性能DSP無(wú)疑增加了成本。為此，設計了以L(fǎng)M3S8962為核心處理器，以ADIS16365為慣性傳感器的慣性系統。該系統利用ADIS16365自身的數據處理功能對三軸角速度和角加速度數據進(jìn)行處理。在外部再經(jīng)過(guò)濾波與積分，得到了精確的角度信號，滿(mǎn)足了系統的可靠性和?？刂埔?。此外，面對系統對慣性數據需求量的增多，將該慣性系統設計為一個(gè)CAN節點(diǎn)應用于整個(gè)系統。

1 ADIS16365概述　　

ADIS16365是ADI公司于2008年9月推出的一款全新的數字輸出的高性能微慣性測量系統。這款傳感器結合了ADI公司的iMEMS和混合信號處理技術(shù)，提供校準的數字慣性檢測。系統除分別提供3個(gè)軸方向上的角速度、角加速度以外，還包括自動(dòng)偏置校準、數字濾波與采樣速率、自檢、電源管理、條件監控、模數轉換，以及輔助數字輸入／輸出，這些功能都通過(guò)快速的數據訪(fǎng)問(wèn)接口（SPI）與MCU進(jìn)行交互，提供方便的數據和配置控制。ADIS16365的一些性能參數如下：角度分辨率為±80（°）／s；典型帶寬為0.33 kHz；線(xiàn)性加速度補償因子為0.05（°）／s／g；運動(dòng)偏移穩定性為0.009（°）／s?！　?br />
2 慣性測量系統硬件設計　　

2.1 總體設計　　

該系統硬件主要包括ADIS16365，CTM8251，LM3S8962。系統硬件框圖如圖1所示?！　?/p>

LM3S8962是TI公司一款用于工業(yè)控制的32位高速控制器，內部集成了工業(yè)控制用到的各種常用協(xié)議，其中CAN模塊支持CAN 2.0B協(xié)議，位速率高達1 Mb／s，具有可編程FIFO模式，使實(shí)時(shí)應用成為可能。此外，其內部擁有256 KB的單周期FLASH，可用于數據存儲，方便外部讀取。CTM8251是一款帶隔離的通用CAN收發(fā)器模塊，該模塊內部集成了所有必須的CAN隔離及CAN收、發(fā)器件。模塊的主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線(xiàn)的差分電平并且具有DC 2 500 V的隔離功能?！　?br />
2.2 硬件電路設計　　

陀螺儀硬件電路原理圖如圖2所示，選用LM3S8962自帶的SPI硬件接口對ADIS16365進(jìn)行操作，在電路設計中只需要直接將LM3S8962的SPI硬件I／O接口與ADIS16365相應的接口連接起來(lái)?！　?/p>

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CAN接口原理圖如圖3所示，LM3S8962對應的CAN接口分別為PD0和PD1，將其與CTM8251進(jìn)行電氣連接，通過(guò)對CTM8251進(jìn)行相應的電路配置，并且在信號輸出端做好相應的屏蔽工作以防止噪聲干擾傳輸和靜電帶來(lái)的不安全因素，最后將CTM8251輸出的高、低端分別與器件相應引腳連接。

3 慣性測量系統軟件設計　　

3.1 總體設計　　

微控制器直接控制慣性傳感器的工作狀態(tài)并采集角速度、角加速度等信息，為了達到處理的實(shí)時(shí)性，當ADIS16365有數據需要發(fā)送時(shí)，中斷通知微控制器進(jìn)行讀取。微控制器將采集到的數據進(jìn)行積分及濾波處理，并將處理后的信息存儲在片內FLASH中。當微控制器接收到數據請求時(shí)，通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送數據。圖4為系統主流程圖?！　?/p>

3.2 數據采集設計　　

微控制器通過(guò)SPI模式3與慣性傳感器通信，在時(shí)鐘下降沿時(shí)建立數據，上升沿時(shí)讀取數據。圖5為通信時(shí)序圖?！　?/p>

從圖5可以看出，一個(gè)SPI傳輸包有16位。由于LM3S8962是32位處理器，因此每次可以傳輸一個(gè)SPI傳輸包。傳輸包高字節包括1位的讀／寫(xiě)狀態(tài)位和7位寄存器地址信息，低字節為讀／寫(xiě)寄存器數據。ADIS16365的內部寄存器為16位，拆分為2個(gè)8位，分為高低地址，因此讀／寫(xiě)操作都需要2個(gè)傳輸包。如果是寫(xiě)操作，則第一個(gè)傳輸包的高字節說(shuō)明寄存器的低8位地址，低字節為寫(xiě)入寄存器低8位的值，第二個(gè)傳輸包則相應地寫(xiě)入寄存器的高8位；如果是讀操作，則第一個(gè)傳輸包的高字節說(shuō)明寄存器低8位地址，低字節無(wú)效，寄存器的值出現在第二個(gè)傳輸包?！　?br />
ADIS16365擁有較為完善的數據處理方案，經(jīng)測試，使用其內部校正功能可以明顯改善系統性能。根據寫(xiě)入GLOB_CMD寄存器命令的不同，可以采用不同的處理方法。表1和表2列出了內部普通校準和精確校準與未校準數據的比較?！　?/p>

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3.3 CAN總線(xiàn)節點(diǎn)設計　　

控制器區域網(wǎng)（CAN）總線(xiàn)屬于現場(chǎng)總線(xiàn)范疇，它是德國B(niǎo)osch公司為解決現代汽車(chē)中眾多測試與控制儀器的數據交換而開(kāi)發(fā)的串行數據通信協(xié)議。經(jīng)過(guò)多年的應用發(fā)展，CAN以其極高的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性而廣泛應用在各種領(lǐng)域。鑒于此，該系統采用CAN協(xié)議來(lái)完成數據的交換?！　?br />
CAN2.0B協(xié)議規定了4種幀類(lèi)型：數據幀、遠程幀、錯誤幀和過(guò)載幀。其中數據幀將數據從發(fā)送器傳輸到接收器，遠程幀用于請求具有同一標志符的數據幀。CAN協(xié)議沒(méi)有規定地址的概念，所有數據傳輸均基于報文標識符，當總線(xiàn)上出現一個(gè)報文時(shí)，所有節點(diǎn)的CAN驗收濾波器將該報文的標識符與自身的驗收代碼寄存器和驗收屏蔽寄存器比較，來(lái)決定是否接收該報文。因此，該系統將慣性傳感器數據標識為“GY-Rn”，其中n為接收端編號，對于擴展幀的29位標識符而言，除去前綴“GYR”24位外，最多可以有32個(gè)接收端，滿(mǎn)足一般系統需求。為使LM3S8962的CAN模塊能響應所有數據請求，只需將驗收屏蔽寄存器的后5位置1即可。當接收端n需要數據時(shí)，發(fā)送標識符為“GYRn”的遠程幀，LM3S896 2的CAN模塊在接收到之后從內部FLASH中讀取數據，再回發(fā)相同標識符的數據幀完成通信?！　?br />
4 結語(yǔ)　　

這里所設計的慣性系統主要采用MEMS器件ADIS16365，測量目標的三種角速度。采用含CAN控制器的LM3S8962微控制器進(jìn)行控制，只需很少的外圍器件即獲得了優(yōu)異的性能。結構簡(jiǎn)單、體積小，使用方便，具備較強的使用性。