基于MEMS和单片机实现惯性测量组件的数据采集系统的设计

首先简介ADISl6355AMLZ型MEMS的原理、构成及应用。在此基础上，搭建一个硬件平台，采用内置USB控制器的AT89C513lA型单片机作为主控制器，控制ADISl6355AMLZ并采集、存储数据。并对惯性测量组件系统进行数据采集设计。经测试，该系统达到了预期设计要求。

运动目标跟踪测量、视频监控等各种实时测量系统在工业、生活中应用日益广泛。然而在这些系统中存在一个共同问题；如何保持摄像机的稳定，处理在跟踪过程中摄像机出现的抖动。传统的方法是采用预先建立的数学模型在后期进行算法处理来纠正摄像机出现的抖动误差，然而这种情况下要求建立的数学模型相当可靠，而实际处理产生的误差也较大，虽然个别系统也采用惯性测量组件，但大都功能单一、精度较低。这里主要针对ADI公司生产的ADISl6355AMLZ在摄像稳定中的作用，设计一个高精度的惯性测量组件系统。将其应用在需要摄像稳定的跟踪、监控摄像机上，可以准确记录出现的抖动误差，有效提高测量精确度。

1、 ADISl6355AMLZ概述

1．1 ADISl6355AMLZ的基本原理

ADISl6355AMLZ是ADI公司生产的一款数字输出、全温校准的高性能、微惯性测量系统。其输出为SPI串行接口，提供3个角速率信号、3个线加速度计信号、温度传感器信号、电源电压信号和1个辅助的模拟输入。ADISl6355AMLZ是一种微机械陀螺仪，属于振动陀螺仪VG（Vibrat- ory Gymscope）。振动陀螺仪的基本工作原理都是产生并检测哥氏加速度，即利用哥氏效应使陀螺的2个振动模态间产生能量转换。哥氏加速度在旋转坐标系中表征加速度，与旋转坐标系的旋转速率成比例。

1．2 ADISl6355AMLZ的基本构成

ADISl6355AMLZ是ADI公司MEMS器件ADISl635X系列的角速度、加速度测量传感器，其核心传感器部件均采用iMEMs技术，属于利用哥氏效应的振动陀螺仪。输出零偏稳定性为O．015（°）／s，角度随机游走为4．2（°）／s，而其温度系数则为O．008（°）／s／℃，因此适用于角度精度要求较高的场合。ADISl6355AMLZ提供一个串行外部接口SPI，可对器件进行配置，获得运行状态与测量结果等；对外部供电要求不高，内部自带高精度稳压电路，外围电路较少。

2、 惯性测量组件系统设计

这里主要利用ADISl6355AMLZ在摄像稳定方面的重要作用，可有效校正摄像机在跟踪运动目标过程中由于抖动而产生的误差，并能较好解决在跟踪过程中运动目标在摄像机视场中丢失的问题，与传统的根据已建立的数学模型来处理目标丢失现象相比，准确度较高。

2．1系统硬件设计

该系统硬件电路主要包括AT89C513lA、K9F1G08UOM存储器、ADISl6355AMLZ等。图1为系统硬件框图。

MCU控制器作为主控制器可直接控制惯性测量组件的工作状态、数据采集，并将惯性测量组件采集的数据转存到存储器件内，或通过USB接口直接传入PC机处理。AT89C513lA是Atmel公司生产的基于80C52内核的高性能8位单片CPU微处理器器件，片上集全速USB控制器和SPI接口，可方便地与陀螺仪器件连接，并通过USB接口将数据高速采集到PC机。K9F1G08UOM是三星公司的NAND Flash存储器件，其容量为128 MB，在惯性测量组件高速采集的情况下可存储至少4 h的连续采集数据量。其内部存储列为1 024块。每块分为64页，1页包含2 112字节，命令、地址、数据信息通过8条I／O线时分复用。可执行2 K字节的页编程操作和页读操作。

在该系统中，ADSl6355AMLZ作为从设备通过SPI接口与外界通信，输出测得的三轴角速度、三轴加速度、三轴温度、电压值，外部CPU也可通过该接口设置ADISl6355AMLZ内部寄存器，从而增强使用的灵活性。图2为惯性测量组件的读操作SPI时序图。

从图2中可看出，ADISl6355AMLZ的1次SPI传输包括16位数据。其中第l位是此次SPI传输的读写状态标识，第2位为O，接着的6特位是即将读或写的寄存器地址，最后的8位在写操作时是将要写入寄存器的数据，如果是读操作则无效。完成ADISl6355AMLZ的1个读操作需2次16位的 SPI通信，其中第1次是写入将要读取的寄存器地址，读寄存器的内容将在第2次SPI通信时出现在ADISl6355AMLZ的DOUT信号线上，输入 SPI的主设备。

AT89C5131A内置包含SPI接口，可方便地与ADISl6355AMLZ连接，通过SPI接口配置相应的寄存器即可控制 ADISl6355AMLZ。由于该单片机为8位。其内部寄存器也为8位。因此需对自身的SPI寄存器进行2次写操作，才能完成 ADISl6355AMLZ 1次SPI数据传输。该单片机内含1个USB控制器，可向PC机高速传输数据。

2．2惯性测量组件系统硬件电路设计

该系统的硬件电路部分主要由内置USB控制器的AT89C513l、NAND Flash器件K9F1G08UOM电路以及ADISl6355AMLZ组成，硬件接口如图3所示。必须写入相应的命令才能顺利执行 ADISl6355AMLZ和NAND Flash的各种操作，南于数据线与地址线复用为8根线，因此地址、命令以及数据的输入／输出需要通过命令锁存信号（CLE）和地址锁存信号（ALE）共同控制从分时复用。

图3中，I／O［7：0］：数据输入／输出端口，该信号与AT89C513l的AD［7：0］连接。写使能信号。在其上升沿时，命令、地址和数据锁存到相应的寄存器中。该信号与AT89C513l的信号连接。：读使能信号。在其下降沿时，输出数据到I／O总线，同时，它还可以对内部数据地址进行累加。该信号与AT89C513l的信号连接。CLE：命令锁存使能信号。当CLE为高电平时，命令在上升沿通过I／O端口送入命令寄存器。该信号与 AT89C5131的P2．0引脚连接。ALE：地址锁存使能信号。当ALE为高电平时，地址在上升沿送入地址寄存器。该信号与AT89C513l的 P2．1引脚连接。：片选信号。用于控制设备的选择，当设备忙时为高电平而被忽略。当处于编程和擦除操作时设备不能回到备用状态。该信号与 AT89C513l的P2．2引脚连接。：准备好／忙输出。当它为低电平时，表示编程、擦除和随机读操作正在进行，在操作完成后返回高电平；当该器件没被选中或输出禁止时，其为高电平。该信号与AT89C513l的P2．3引脚连接。ADISl6355-AMLZ外部主要通过SPI接口与 AT89C5131的SPI接口对应相连。

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3、 系统数据采集设计

USB总线具有速度快、连接简单快捷、无需外接电源、支持多设备连接等优点，现已广泛应用于数据采集系统。这里选用的AT89C513lA单片机内含 USB控制器，因此PC机通过USB口实时采集数据或从Flash存储器上统一采集数据。

Microsoft公司未提供适合于本系统USB接口的驱动程序，因此需自行开发。该程序的功能是：当USB设备连接到主机上时，主机可以发现新设备，然后建立连接并完成数据传输任务，也就是能够让Windows正常检测和识别USB设备。采用Driver-Studio中的DriverWorks作为开发工具，开发WDM型的USB驱动程序。图4为系统数据采集流程。

4、 结束语

这里所设计的惯性测量组件系统主要采用基于哥氏效应的ADISl6355 MEMS器件，测量运动目标的三轴角速度、加速度，采用内含USB控制器的AT89C5131A微控器进行控制，只需很少的外围器件，即可获得性能优异、应用灵活方便的惯性测量组件系统。本设计既可将数据实时采集送回PC机处理，也可先将数据存储在Flash上，然后统一采集到PC机上处理，充分体现了系统应用的灵活性，并且稍加修改就可应用在惯性测量组件的其他应用领域中，具有较好的推广前景。

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