MMA7361L的高精度角度檢測平臺設計

摘要：傾角是許多控制系統(tǒng)中需要測量的一個重要參數(shù)。針對傾角測量，設計了一種基于ARM微控制器和加速度傳感器的角度測量平臺。該平臺采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103VE為數(shù)據(jù)處理的核心，利用高精度加速度傳感器MMA7361L為測角傳感器，同時配置液晶屏和小型鍵盤實現(xiàn)了人機交互。該平臺具有測量精度高、靈敏度高、價格低的特點，應用前景廣闊。
關鍵詞：STM32F103VE；三軸加速度傳感器；MMA7361L；角度測量平臺

引言
    在很多控制系統(tǒng)中，角度值是一個十分重要的物理參數(shù)。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(tǒng)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(tài)進行調整。目前已有利用加速度傳感器實現(xiàn)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(xiàn)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(shù)據(jù)處理采用最新的帶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(shù)據(jù)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(tǒng)功能，采用4×4鍵盤對系統(tǒng)模式進行設置。同時采用聲光報警電路，當角度超過設定上限時，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。

1．1 STM32F103VE控制器
    本系統(tǒng)采用新一代低功耗高速工業(yè)級芯片STM32F103VE作為控制器核心，芯片采用更優(yōu)化的32位ARM Cortex-M3內(nèi)核，時鐘頻率達到72 MHz。該芯片系統(tǒng)資源和外圍接口豐富，內(nèi)部集成專用時鐘、復位以及電源管理模塊，支持多種工作模式，內(nèi)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。
1．2 MMA7361L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(chǎn)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(chǎn)品功能擴展，采用精簡的μC／  OS-II操作系統(tǒng)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。其中最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(tǒng)，主要是管理系統(tǒng)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(tǒng)調用和實現(xiàn)OS級別功能。

2．2 MMA7361L角度測試驅動實現(xiàn)
    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800 mV／g，將g-Select引腳置為低電平。在正常工作狀態(tài)，Sleep引腳需要置為高電平。同時啟動Self Test模式，芯片在工作之前先完成內(nèi)部自檢。
    MMA7361L三軸加速度傳感器實現(xiàn)角度測試，其核心算法是建立輸出電壓和角度之間的函數(shù)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(tài)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(shù))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精確測量。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(xiàn)。其核心部分可以用如下代碼實現(xiàn)：

    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(tǒng)管理，軟件部分采用實時精簡的嵌入式操作系統(tǒng)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。


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(xiàn)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(xiàn)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。