基于ADIS16365的慣性傳感系統(tǒng)設(shè)計

摘要：系統(tǒng)以ADIS16365為慣性傳感器，LM3S8962為棱心處理器，IAR為開發(fā)平臺，卡爾曼濾波和辛普森積分為數(shù)據(jù)處理方法，研制基于ADI-S16365的慣性傳感系統(tǒng)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的角度穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。為了使該系統(tǒng)具有應(yīng)用的靈活性，將該傳感系統(tǒng)作為CAN節(jié)點應(yīng)用在整個系統(tǒng)設(shè)計中。該系統(tǒng)已用于亞太機器人比賽中，實現(xiàn)了準(zhǔn)確定位。
關(guān)鍵詞：慣性傳感系統(tǒng)；ADIS16365；LM3S8962；CAN總線

0 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(tǒng))，它的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。近年來，基于MEMS(微機電系統(tǒng))技術(shù)的微機械慣性器件日漸成熟，用MEMS慣性器件構(gòu)成慣性系統(tǒng)已成為目前慣性技術(shù)領(lǐng)域的一個研究熱點。
    傳統(tǒng)研究方法是先建立數(shù)學(xué)模型，后期采用數(shù)據(jù)處理算法來糾正誤差。在慣性系統(tǒng)的應(yīng)用中，這不僅要求數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)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(shù)據(jù)量，采用高性能DSP無疑增加了成本。為此，設(shè)計了以LM3S8962為核心處理器，以ADIS16365為慣性傳感器的慣性系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用ADIS16365自身的數(shù)據(jù)處理功能對三軸角速度和角加速度數(shù)據(jù)進行處理。在外部再經(jīng)過濾波與積分，得到了精確的角度信號，滿足了系統(tǒng)的可靠性和?？刂埔?。此外，面對系統(tǒng)對慣性數(shù)據(jù)需求量的增多，將該慣性系統(tǒng)設(shè)計為一個CAN節(jié)點應(yīng)用于整個系統(tǒng)。

1 ADIS16365概述
    ADIS16365是ADI公司于2008年9月推出的一款全新的數(shù)字輸出的高性能微慣性測量系統(tǒng)。這款傳感器結(jié)合了ADI公司的iMEMS和混合信號處理技術(shù)，提供校準(zhǔn)的數(shù)字慣性檢測。系統(tǒng)除分別提供3個軸方向上的角速度、角加速度以外，還包括自動偏置校準(zhǔn)、數(shù)字濾波與采樣速率、自檢、電源管理、條件監(jiān)控、模數(shù)轉(zhuǎn)換，以及輔助數(shù)字輸入／輸出，這些功能都通過快速的數(shù)據(jù)訪問接口(SPI)與MCU進行交互，提供方便的數(shù)據(jù)和配置控制。ADIS16365的一些性能參數(shù)如下：角度分辨率為±80(°)／s；典型帶寬為0．33 kHz；線性加速度補償因子為0．05(°)／s／g；運動偏移穩(wěn)定性為0．009(°)／s。

2 慣性測量系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 總體設(shè)計
    該系統(tǒng)硬件主要包括ADIS16365，CTM8251，LM3S8962。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

     LM3S8962是TI公司一款用于工業(yè)控制的32位高速控制器，內(nèi)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(dá)1 Mb／s，具有可編程FIFO模式，使實時應(yīng)用成為可能。此外，其內(nèi)部擁有256 KB的單周期FLASH，可用于數(shù)據(jù)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(nèi)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(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平并且具有DC 2 500 V的隔離功能。
2．2 硬件電路設(shè)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進行操作，在電路設(shè)計中只需要直接將LM3S8962的SPI硬件I／O接口與ADIS16365相應(yīng)的接口連接起來。

    CAN接口原理圖如圖3所示，LM3S8962對應(yīng)的CAN接口分別為PD0和PD1，將其與CTM8251進行電氣連接，通過對CTM8251進行相應(yīng)的電路配置，并且在信號輸出端做好相應(yīng)的屏蔽工作以防止噪聲干擾傳輸和靜電帶來的不安全因素，最后將CTM8251輸出的高、低端分別與器件相應(yīng)引腳連接。
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3 慣性測量系統(tǒng)軟件設(shè)計
3．1 總體設(shè)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(dá)到處理的實時性，當(dāng)ADIS16365有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，中斷通知微控制器進行讀取。微控制器將采集到的數(shù)據(jù)進行積分及濾波處理，并將處理后的信息存儲在片內(nèi)FLASH中。當(dāng)微控制器接收到數(shù)據(jù)請求時，通過CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)。圖4為系統(tǒng)主流程圖。

3．2 數(shù)據(jù)采集設(shè)計
    微控制器通過SPI模式3與慣性傳感器通信，在時鐘下降沿時建立數(shù)據(jù)，上升沿時讀取數(shù)據(jù)。圖5為通信時序圖。

    從圖5可以看出，一個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SPI傳輸包。傳輸包高字節(jié)包括1位的讀／寫狀態(tài)位和7位寄存器地址信息，低字節(jié)為讀／寫寄存器數(shù)據(jù)。ADIS16365的內(nèi)部寄存器為16位，拆分為2個8位，分為高低地址，因此讀／寫操作都需要2個傳輸包。如果是寫操作，則第一個傳輸包的高字節(jié)說明寄存器的低8位地址，低字節(jié)為寫入寄存器低8位的值，第二個傳輸包則相應(yīng)地寫入寄存器的高8位；如果是讀操作，則第一個傳輸包的高字節(jié)說明寄存器低8位地址，低字節(jié)無效，寄存器的值出現(xiàn)在第二個傳輸包。
    ADIS16365擁有較為完善的數(shù)據(jù)處理方案，經(jīng)測試，使用其內(nèi)部校正功能可以明顯改善系統(tǒng)性能。根據(jù)寫入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(nèi)部普通校準(zhǔn)和精確校準(zhǔn)與未校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的比較。

3．3 CAN總線節(jié)點設(shè)計
    控制器區(qū)域網(wǎng)(CAN)總線屬于現(xiàn)場總線范疇，它是德國Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多測試與控制儀器的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。經(jīng)過多年的應(yīng)用發(fā)展，CAN以其極高的可靠性、實時性和靈活性而廣泛應(yīng)用在各種領(lǐng)域。鑒于此，該系統(tǒng)采用CAN協(xié)議來完成數(shù)據(jù)的交換。
    CAN2．0B協(xié)議規(guī)定了4種幀類型：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯誤幀和過載幀。其中數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)從發(fā)送器傳輸?shù)浇邮掌?，遠(yuǎn)程幀用于請求具有同一標(biāo)志符的數(shù)據(jù)幀。CAN協(xié)議沒有規(guī)定地址的概念，所有數(shù)據(jù)傳輸均基于報文標(biāo)識符，當(dāng)總線上出現(xiàn)一個報文時，所有節(jié)點的CAN驗收濾波器將該報文的標(biāo)識符與自身的驗收代碼寄存器和驗收屏蔽寄存器比較，來決定是否接收該報文。因此，該系統(tǒng)將慣性傳感器數(shù)據(jù)標(biāo)識為“GY-Rn”，其中n為接收端編號，對于擴展幀的29位標(biāo)識符而言，除去前綴“GYR”24位外，最多可以有32個接收端，滿足一般系統(tǒng)需求。為使LM3S8962的CAN模塊能響應(yīng)所有數(shù)據(jù)請求，只需將驗收屏蔽寄存器的后5位置1即可。當(dāng)接收端n需要數(shù)據(jù)時，發(fā)送標(biāo)識符為“GYRn”的遠(yuǎn)程幀，LM3S896 2的CAN模塊在接收到之后從內(nèi)部FLASH中讀取數(shù)據(jù)，再回發(fā)相同標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀完成通信。

4 結(jié)語
    這里所設(shè)計的慣性系統(tǒng)主要采用MEMS器件ADIS16365，測量目標(biāo)的三種角速度。采用含CAN控制器的LM3S8962微控制器進行控制，只需很少的外圍器件即獲得了優(yōu)異的性能。結(jié)構(gòu)簡單、體積小，使用方便，具備較強的使用性。