基于ADXRS450的角度测量电路设计※＊

白宗文

（延安大学 物理与电子信息学院，延安 716000）

引 言

现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体方位的仪器，作为一种惯性测量器件，是惯性导航、惯性制导和惯性测量系统的核心部件。它是现代航空、航海、航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器[1，3－4]。

传统的陀螺仪体积大，功耗高，易受干扰，稳定性较差，ADI公司推出了新型速率ADXRS系列陀螺芯片，该系列芯片组成的角速度检测陀螺仪能够准确地测量角速度，此外还可以利用该陀螺仪对角度进行测量，本文利用该先进的角速度检测传感器设计出电路简单、精度高、具有重要应用价值的实际电路。

ADXRS450[5]是基于ADI公司前三代MEMS开发的第四代器件的具有可编程电源电压的数字角速率传感器，它采用先进的差分四传感器设计，可在强烈冲击和振动状态下精确地工作。它在单芯片上实现完整的角速度陀螺仪功能，角速率检测达到了±300°／s，可在宽频率范围内提供高振动抑制特性，且具有极佳的零点失调稳定性，具有内部温度补偿，抗冲击能力达2000g，16位数据字SPI数字输出。ADXRS450具有低噪声和低功耗、低电源供电、小巧便捷等优点，主要用于医疗、工业、仪器仪表、和其他高性能应用。这款陀螺仪具有极佳的抗冲击和振动能力，适合恶劣环境下的应用。

1 工作原理

ADXRS450使用谐振器陀螺仪原理工作[5－6]，每种检测结构均包含一个扰动框架，通过静电驱动到达谐振状态。这会产生必要的速度，从而在旋转期间产生科里奥利力。当检测结构旋转时，产生的科里奥利力耦合至外部检测框架，该框架包含置于固定捡拾器指之间的可动指。

这样便形成一个容性捡拾结构来检测科氏运动。检测到的信号被馈送至一系列增益和解调级，产生电速率信号输出。4路传感器设计以机械方式耦合4种检测结构，使外部重力表现为共模信号，而后者可通过ADXRS450中实施的完全差分架构来消除，因而可抑制线性加速度和角加速度，包括外部重力和振动。

ADXRS450功能框图如图1所示。

图1 ADXRS450功能框图

ADXRS450陀螺仪使用完整的机电自测功能，静电力施加于陀螺仪框架后造成容性检测指偏转。这一偏转恰好等于外部速率输入引起的偏转。波束结构的输出与真实速率输出信号均由相同的信号链进行处理，从而提供完整的电气和机械成分。

在器件以高于输出带宽的速率工作期间，机电自测连续执行。自测程序产生等效的正负速率偏转。该信息可被滤除，对解调速率输出没有影响。将正负自测偏转间的差异幅度滤波至2Hz。连续监控并与硬编码自测限值进行比较。

2 硬件设计

本电路系统由电池供电电源管理单元、倾角传感器电路、信号调理电路、微控制器和键盘及显示电路组成，如图2所示。其中，微控制器实现系统的控制，利用SPI接口与倾角传感器通信，电池供电电源管理单元向其他各单元提供合适的电压。显示电路及键盘电路实现测试结果的输出和参数及命令的输入。其中显示电路及键盘电路属于常见的电路，限于篇幅关系，此处不作详细讨论，重点介绍角度测量电路。

图2 系统框图

角度测量电路由微控制器ADuC7026、角速率传感器和电压增益控制电路构成，如图3所示。其中ADXRS450是具有可编程电源电压的数字角速率传感器，用于检测角速度，使用时无需进行模／数转换，从而可以节省系统成本和电路板面积。AD8034是运算放大器，DAC0引脚输出静态电压，然后由AD8034放大。ADuC7026是精密模拟微控制器[7]，该芯片内集成1Msps、12位、多通道高性能ADC的数据采集系统、32位 MCU和Flash／EE存储器。其ADC具有多达12个单端输入通道，另外还有4个ADC输入通道也可以和4个DAC的输出引脚复用。本设计主要利用其高精度特性和内部的4路DAC，此外ADuC7026可以通过SPI接口与ADXRS450进行通信，该接口利用ADuC7026内部的数模转换器（DAC）设置ADXRS450的电源电压。此外还可用于与LabVIEW接口通信等，并且可以监控角速率输出。接口电路如图4所示。

图3 角度测量电路

图4 ADXRS450接口电路

3 软件设计

本系统中软件设计的关键是将命令字根据SPI通信协议和ADXRS450的工作时序写入到其相应的命令字控制器中，ADXRS450工作时序图如图5所示。ADuC7026以16位格式、固定速率向相应的寄存器写入故障检测命令字、存储寄存器命令字等，每个寄存器为8位，但执行读取请求时数据最终以16位消息形式返回，高8位在前，低8位在后，详细的命令字格式请参照数据手册。软件用C语言编程。

图5 ADXRS450工作时序图

ADXRS150和ADuC702的通信时该接口的命令设置和格式定义如下：时钟相位＝时钟极性＝0

此外，初始命令的器件响应为0x00000001。这可以防止初始命令／响应交换时传输随机数据至主器件，ADXRS450的引脚功能如表1所列。

采样程序见本刊网站 www.mestnet.com.cn。

4 实验数据分析

表2给出了陀螺仪转动±30°、±60°、±90°、±120°、±150°和±180°时的输出结果。

表1 ADXRS450功能引脚定义

为减小误差，在程序中采用了多次测量并舍弃最大和最小值然后求平均的方法，在硬件设计中选择了精密模拟微控制器ADuC7026，尽量减小A／D转换时数据舍弃的误差。实验结果表明：角度相对误差小于0.5%，有较高的精度。

表2 角度测量结果单位：（°）

结 语

本文利用ADXRS450数字角速率传感器和ADuC7026设计出了角度测量系统，其角度测量范围为0°～360°，分辨率为0.1°，采用LCD显示器件实时显示测量角度。该系统具有尺寸小、功耗低、抗冲击和振动性好的优点，且电路结构简单，能精确测量转动物体的偏转角度，适用于各种惯性测量系统，是陀螺仪技术的一个典型应用，具有较高的应用价值。

[1] 何立民.单片机应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1997：78－132.

[2] 夏路易.智能仪表设计与接口技术[M].太原：太原理工大学出版社，2009：180－196.

[3] 黄然，吕紫旭，金惠华.基于角速度传感器与DSP的三维陀螺仪[J].单片机与嵌入式系统应用，2006（9）：53－58.

[4] 沙占友，王彦鹏，张永昌.单片偏航角速度陀螺仪的原理与应用[J].传感器世界，2004（9）：31－34.

[5] ADI.ADI实验室电路合集[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011：87－89.

[6] ADI.ADXRS450DataSheet，2013.

[7] ADI.ADUC7026DataSheet，2013.