多MEMS传感器的嵌入式姿态测量系统设计

　　引言

　　传统的姿态测量因为采用高精度陀螺仪和加速度计等姿态传感器，体积庞大并且价格昂贵。当前MEMS产品因其体积小、价格低、功耗低，被称为是传统的惯性测量组合的一次重大改革，越来越多地应用于姿态测量应用中。并且，随着MEMS技术的迅速发展以及向各个学科领域的渗透，它的各方面性能如精度、鲁棒性、动态响应等都得到了巨大的提高。

　　随着嵌入式技术的不断发展，以应用为中心的嵌入式系统由于体积小、功耗低、可靠性高、可裁减性好、软硬件集成度高，已经渗入到我们日常生活的各个方面，在各行各业中都得到了应用。而嵌入式与MEMS的结合使姿态测量系统满足了低成本、低功耗、微型化的应用需求，给消费电子领域带来了巨大进步，如智能手机中的重力感应与指南针，同时给航空、工业、汽车、医疗、环境监控、通信等领域带来了十分广阔的应用前景。

　　本文采用三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计及三轴MEMS电子罗盘与Freescale单片机MC9S08QE8组成一个嵌入式姿态测量系统。陀螺仪由于动态性能好，用于获取实时姿态信息。但陀螺仪因为会产生偏移，而加速度计与电子罗盘因其静态性能比较优越，所以用来对陀螺仪姿态计算过程中的误差进行修正。

　　1 系统组成和结构

　　本系统主要由单轴陀螺仪LY530AL、双轴陀螺仪LPR530AL、三轴MEMS加速度计ADXL345、三轴MEMS电子罗盘HMC5843及单片机MC9S08QE8组成。其中X、Y方向的双轴陀螺仪与Z轴方向的单轴陀螺仪组合成三轴陀螺仪，它们的信号由单片机MC9S08QE8的ADC模块进行采集，而加速度信号和电子罗盘信号则通过I2C总线传送到单片机。这9路信号在单片机中首先经过前期的处理，而后由单片机中的姿态计算算法程序获取3个姿态角信息，这3个信息通过单片机MC9S08QE8的串口模块传送到上位机进行演示，嵌入式姿态测量系统结构框图如图1所示。

　　1.1 三轴MEMS陀螺仪

　　系统中三轴MEMS陀螺仪由ST公司的单轴Z方向的陀螺仪LY530AL和双轴X、Y方向的陀螺仪LPR530AL组合而成。它们采用电容式微机械陀螺仪原理，由于ST公司选用了音叉方法，并且振动驱动电路采用了双闭环的控制结构，显著地提高了陀螺仪的稳定性和分辨率。测量范围达±300°/s，拥有自测功能，输出端集成了低通滤波电路，工作电压为1.8～3.6 V，待机模式电流小于1μA。

　　1.2 三轴MEMS加速度计

　　系统中三轴MEMS加速度计选用ADI公司的ADXL345。ADXL345是基于iMEMS技术的三轴、数字输出加速度传感器，具有±2g、±4g、±8g、±16g可变的测量范围。芯片内带的32级FIFO存储可以缓存数据，从而减轻处理器的负担并降低了系统功耗。ADXL345具有较高的分辨率与灵敏度、3 mm×5 mm×1 mm超小封装、40～145μA超低功耗及标准的I2C或SPI数字接口，非常适合于移动设备的应用。