雙軸加速度傳感器ADXL202及其應(yīng)用設(shè)計(jì)

1 ADXL202加速度傳感器
1．1 ADXL202的引腳定義及基本特性
    ADXL202為單片集成電路，集成度高、結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)部包含多晶硅表面微處理傳感器和信號控制電路，以實(shí)現(xiàn)開環(huán)加速度測量結(jié)構(gòu)。與其他加速度計(jì)相比，ADXL202可在很大程度上提高工作帶寬，降低噪聲影響，零重力偏差和溫度漂移也相對較低。圖1所示為ADXL202傳感器的引腳定義。

    ST：自檢，用于控制芯片自檢功能。接VDD時(shí)，輸出占空比為10％的波形，說明芯片正常工作。
    COM：引腳4、7。使用時(shí)需將2個(gè)COM端接在一起并接地。
    T2：經(jīng)電阻RSET接地，調(diào)節(jié)輸出信號周期。輸出信號周期T2=RSET／(125 MΩS-1)。
    VDD：電源。工作電壓范圍為+3．O～+5．25 V，可經(jīng)過100Ω的去耦電阻接電源。
    XFILT、YFILT：經(jīng)電容接地，用于改變帶寬、濾除噪聲和抑制零點(diǎn)漂移。
    Xout、Yout：輸出。
    圖2為ADXL202傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖。

    ADXL202傳感器由振蕩器，X、Y方向傳感器，相位檢波電路以及占空比調(diào)制器組成，具有數(shù)字輸出接口和模擬電壓信號輸出接口。X、Y方向傳感器是2個(gè)相互正交的加速度傳感器，它們同時(shí)工作，可以測量動(dòng)態(tài)變化的加速度和恒定的加速度。傳感器之后級連相位檢波器，主要是用來修正信號，并對信號的方向做出判斷。檢波器輸出的信號，通過一個(gè)32 kΩ的電阻來驅(qū)動(dòng)占空比調(diào)制器，通過在XFILT和YFILT引腳外接電容CX和CY來改變帶寬。
1．2 測量數(shù)據(jù)的計(jì)算及處理
    (1)信號帶寬的計(jì)算
    通過CX和CY來設(shè)定帶寬，在XFILT和YFILT引腳接上電容，通過低通濾波器來減少噪聲。3 dB帶寬的公式為：
    f=5 μF／C(x，y) (電容最小值為l 000 pF)
    (2)加速度的計(jì)算
    輸出信號周期T2=RSET／(125 MΩs-1)，如圖3所示。

    信號通過低通濾波器之后，占空比調(diào)制器把信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。通過T2引腳的外接電阻可以改變T2的周期(O．5～10 ms)，這很適于在精度要求不同的場合下使用。輸出的占空比信號通過計(jì)數(shù)器可以計(jì)算出占空比。加速度的計(jì)算可以通過下式得到：

   
    例如，當(dāng)加速度為0g時(shí)，信號寬度T1與空閑寬度(T2一T1)相同，輸出信號的占空比為50％；當(dāng)加速度為1g時(shí)，信號寬度T1與空閑寬度(T2一T1)的比值為5：3，輸出信號的占空比為62．5％。
1．3 ADXL202的典型應(yīng)用
    ADXL202傳感器最重要的應(yīng)用之一是傾斜度的測量。在進(jìn)行傾斜度測量時(shí)，需要讓傳感器的敏感軸(x軸)與重力方向垂直。如果與重力方向平行，物體傾斜對于加速度數(shù)據(jù)的影響可以忽略不計(jì)。圖4所示為加速度測量的原理圖。

    當(dāng)ADXL202與重力矢量垂直時(shí)，其輸出隨傾斜度的變化大約為每度17．5 mg，當(dāng)兩者呈45°時(shí)，輸出變化值僅為每度12．2 mg，分辨率降低。表1為傾斜角度與加速度變化的關(guān)系。

2 應(yīng)用電路設(shè)計(jì)
2．1 硬件接口設(shè)計(jì)
    LPC2103是一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI—S CPU，并帶有8 KB片內(nèi)SRAM和32 KB嵌入的高速片內(nèi)Flash內(nèi)存。LPC2103具有LQFP48的較小封裝、極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、8路10位ADC、2個(gè)外部中斷、最多可達(dá)32個(gè)GPIO。通過可編程的片內(nèi)PLL(可能的輸入頻率范圍：10～25 MHz)可實(shí)現(xiàn)最高70 MHz的CPU時(shí)鐘頻率。ADXL202傳感器與LPC2103的接口電路如圖5所示。

    ADXL202加速度傳感器的T2經(jīng)125 kΩ電阻接地，可以得到信號輸出的周期為1 ms。13、14引腳接+5 V電源，XFILT和YFILT經(jīng)O．1μF電容接地，用于設(shè)置50 Hz帶寬。兩路輸出分別與LPC2103的PO．O和PO．2引腳相接，作為數(shù)據(jù)傳輸線。數(shù)據(jù)傳輸有兩種方法，分別為普通GPIO口方式和定時(shí)器捕獲中斷方式。
2．2 普通GPIO口方式
    由于傳感器輸出均為DCM信號，無論采用什么方式進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，都需要定時(shí)器／計(jì)數(shù)器工作，對DCM信號進(jìn)行計(jì)時(shí)處理。因此，程序首先要對定時(shí)器進(jìn)行初始化。然后分別對DCM信號的高電平和低電平持續(xù)時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，得到T1、T2的值，再進(jìn)行加速度計(jì)算。由于默認(rèn)情況下GPIO均為普通I／0方式，所以開始不用設(shè)置PIN—SEL寄存器。普通GPIO口方式程序如下：

    普通GPIO口方式的程序比較簡單，雖然程序的執(zhí)行需要時(shí)間，但由于LPC2103的主頻可以達(dá)到40 MHz，執(zhí)行幾條指令只需幾微秒，所以產(chǎn)生的誤差會很小。但普通GPIO方式程序執(zhí)行時(shí)，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?？梢允褂脠D5所示Xout與LPC2103的接口方式。
2．3 定時(shí)器捕獲中斷方式
    如圖5所示，Yout與LPC2103的PO．2引腳相接，利用P0．2的功能復(fù)用，可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)器捕獲中斷方式接收傳感器數(shù)據(jù)。主要程序段如下：

    中斷處理程序運(yùn)行之后，得到的信號周期應(yīng)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(wù)程序大大提高了CPU的使用效率，但程序較為復(fù)雜，并且占用了一個(gè)中斷向量通道。

結(jié) 語
    ADXL202傳感器的應(yīng)用方法經(jīng)過驗(yàn)證完全可行，并且能夠達(dá)到較高的測量精度。由于集成度高，由ADXL202和ARM系列微控制器組成的系統(tǒng)完全可以用于汽車、火車等交通工具的安全控制系統(tǒng)。ADXL202在慣性導(dǎo)航、傾斜感應(yīng)、地震監(jiān)控及汽車保險(xiǎn)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，精度高、集成度高、功耗低等特點(diǎn)使之完全可以取代傳統(tǒng)的加速度傳感器。