前言

        微機電傳感器（MEMS）慣性傳感器在近幾年來高速發(fā)展并得到了廣泛的應(yīng)用。微慣性傳感器作為一種重要的MEMS，由微型陀螺儀、微型加速度計、集成電路（ASIC）、嵌入式微處理器及相應(yīng)的軟件組成，輸出可以包含角速度、加速度、姿態(tài)等多種信息，并且其體積小、集成度高、使用方便，在軍民等領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。
　　
　　CRS10是SiliconSENSING公司的一款高精度的MEMS單軸陀螺儀，它是數(shù)字式輸出，輸出傳感器運動過程的角速度和傳感器工作的環(huán)境溫度。
　　
　　在轉(zhuǎn)角測量方面，傳統(tǒng)的方法是使用角度傳感器，測量起始時間的角度值，然后相比較得到轉(zhuǎn)過的角度。在此，根據(jù)運動學(xué)原理，應(yīng)用CRSl0陀螺儀，設(shè)計了一個角速度和轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)，系統(tǒng)配置有數(shù)據(jù)輸出接口和液晶顯示界面。
　　
　　1、CRS10功能介紹及使用
　　
　　CRSl0是一款高精度的數(shù)字角速率陀螺儀，集成度高，較寬的工作溫度（-40～80℃），高帶寬和寬泛的頻率范圍，極低的角速率隨機漂移，標準5V電壓供電，SPI數(shù)據(jù)輸出和模擬端口輸出2種輸出方式滿足各種應(yīng)用不同需求。在CRSl0的默認配置是為75Hz帶寬，±375（°）／s角速率測量訪問。用戶可根據(jù)需要，設(shè)置其角速率測量范圍和帶寬。例如可設(shè)置±75（°）／s的測量范圍，也可設(shè)置帶寬5、10、25、40、50、60和100Hz。
　　
　　CRSl0采用23mmxl7mmxl0mm封裝。無論是垂直或可用水平支架可表面安裝在PCB上。其體積小，集成度高，易于安裝。可廣泛應(yīng)用于汽車偏航率測定、制導(dǎo)和控制、平臺穩(wěn)定、圖像穩(wěn)定、慣性測量裝置、機器人和導(dǎo)航等領(lǐng)域。
　　
　　1．1CRSl0功能介紹
　　
　　圖1（a）和圖l（b）分別是CRSl0的實物圖和功能框圖。由圖l（b）可知，在CRSl0中，MEMS陀螺儀先感知外界信號，并將信號輸出給數(shù)據(jù)采集集成電路，數(shù)據(jù)采集電路將處理后的信號輸出給微控制器。微控制器將得到的數(shù)據(jù)結(jié)果存入輸出寄存器。通過SPI總線，外部SPI主控器件向CRSl0發(fā)送控制指令或者讀取。CRSl0內(nèi)部設(shè)置有控制寄存器，寄存器都有默認的值，通過對控制寄存器的修改寫操作，可以改變角速率測量范圍頻率和輸出帶寬等方面的控制效果。　　
　　CRSl0測量的是平行于PCB平面的角速率。CLK_N，SPI_IN，SPI_OUT和引腳是傳感器的SPI接口，引腳是傳感器的復(fù)位引腳。A-NL_OUT是角速率的模擬輸出端口。
　　
　　CRSl0的數(shù)字輸出部分還包含其工作環(huán)境的溫度值。假如在無償條件下，陀螺儀性能不佳，那么可通過使用這個溫度進行建模和補償。
　　
　　1．2CRS10使用方法
　　
　　1．2．1CRS1O硬件建接
　　
　　CRSl0的SPI接口與各種微處理器SPI主控制器件接線如圖2所示。SPI總線的時鐘頻率zui高可達到2．5MHz，建議采用1MHz。　　
　　1．2．2CRSl0數(shù)據(jù)讀寫與數(shù)據(jù)處理
　　
　　通過SPI總線，可以對CRSl0進行讀寫操作。可以根據(jù)設(shè)計要求設(shè)置控制寄存器的值達到控制效果，也可以使用寄存器的默認設(shè)置。控制指令由1個字節(jié)狀態(tài)位，4個字節(jié)的數(shù)據(jù)位和1個字節(jié)的校驗位共6個字節(jié)組成。向CRSl0寫控制指令時，只要將指令串通過SPI總線發(fā)送給CRSl0即可。
　　
　　讀取CRSl0輸出的數(shù)據(jù)時，從總線上讀取到的是6個字節(jié)的數(shù)據(jù)，依次是：1個字節(jié)的狀態(tài)位，2個字節(jié)的角速率數(shù)據(jù)位，2個字節(jié)的溫度數(shù)據(jù)位和1個字節(jié)的校驗位。
　　
　　角速率值（RATE_OUT）和溫度值（TEMP_OUT）輸出的數(shù)據(jù)格式均為16位二進制的補碼，可以使用式（1）進行解算：　　
　　式中，DATA_VALUE為寄存器的輸出數(shù)據(jù)，VALUE為轉(zhuǎn)換后實際的測量量的值，Scale為寄存器值zui小值代表的zui小單位，n為對應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)位數(shù)。
　　
　　在這里有一個小技巧，由于數(shù)據(jù)是16位二進制補碼類型，可以使用數(shù)據(jù)類型為整型（int）存儲數(shù)據(jù)，這樣亦可以省略其中的數(shù)據(jù)處理過程。
　　
　　2、角速率和轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)設(shè)計
　　
　　這里給出了基于LMS8962與CRSl0的傾角測量系統(tǒng)的原理與設(shè)計。
　　
　　2．1轉(zhuǎn)角測量原理
　　
　　CRSl0是測量其所在PCB平面的角速率。根據(jù)運動學(xué)原理，角度等于角速率在時間上的積分，因此，可以得到轉(zhuǎn)角與角速率的關(guān)系：　　
　　式中，θ是當(dāng)前角度，θo是運動初始時的初始轉(zhuǎn)角，ω為角速率，to為初始時刻，t為當(dāng)前時刻。
　　
　　在數(shù)字系統(tǒng)中，采用其離散型方程：　　
　　式中，θ、θo、ω的含義與式（2）相同，△t表示采樣數(shù)據(jù)的時間間隔。
　　
　　根據(jù)上述原理，利用CRSl0設(shè)計測量轉(zhuǎn)角系統(tǒng)。只要保證采樣頻率夠快，轉(zhuǎn)角平臺穩(wěn)定，噪聲較小即可。
　　
　　2．2硬件電路設(shè)計
　　
　　使用LMS8962與CRSl0搭建成傾角測量系統(tǒng)，LMS8962是一款高性能的32位Cortex-M3內(nèi)核微處理器。它有豐富的片內(nèi)外設(shè)，如模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC），PWM，CAN和串行總線（SSI）等，功能強大，易于集成。
　　
　　LMS8962與CRSl0組成的角速率和轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖如圖3所示。LMS8962通過SSI總線與CRSIO進行通信。將采集到的數(shù)據(jù)存儲到SD卡中，將解算得到的結(jié)果實時在液晶顯示模塊上顯示。SD卡的數(shù)據(jù)存儲為將來的數(shù)據(jù)分析提供一個很好的數(shù)據(jù)采集平臺。SSI是串行通信總線，它兼容SPI總線。　　
　　2．3軟件設(shè)計
　　
　　圖4是系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程。程序啟動進入系統(tǒng)初始化，接下來向CRSl0寫控制指令，以設(shè)置CRSl0工作在需求的模式下，然后讀取返回的數(shù)據(jù)并進行解算，zui后通過存儲數(shù)據(jù)到SD卡中并在液晶模塊中顯示。　　
　　3、試驗結(jié)果
　　
　　為了驗證系統(tǒng)測量角速率和轉(zhuǎn)角的效果，采用姿態(tài)與航向參考系統(tǒng)（attitudeandheadingreferencesystem）AHRS500GA-226傳感器作為參考進行測試。AHRS500GA-226是CrossbowTechnology公司的一款高精度的IMU。將兩系統(tǒng)固定安裝在同一平臺上，使CRSl0測量的角速率平面與AHRS的YAW平面（航向角速率和航向角測量平面）相一致。比較兩個系統(tǒng)輸出的角速率和角度數(shù)據(jù)，得到如圖5所示的結(jié)果。　　
　　由圖中5可看出，CRSl0所測量的角速率與AHRS測量得到的角速率運動的趨勢一致，AHRS的結(jié)果比較平滑。CRSl0有噪聲，局部陡峭。在靜止和小角速率運動時兩者測量結(jié)果基本重合，誤差在0．1（°）／s左右。在大角度運動和急速轉(zhuǎn)動時，兩者的重合效果不佳，誤差較大，有達到7（°）／s。這是由于AHRS得到的數(shù)據(jù)是經(jīng)過濾波和數(shù)據(jù)融合處理的。角度測量的趨勢一致，在局部重合的比較好。但角度測量的誤差比較大。原因在于本文使用的角度計算方法：1）使用的是原始的角速率數(shù)據(jù)，角速率沒有經(jīng)過濾波處理，噪聲較大，積分疊加到角度上得到的偏差亦較大；2）使用的是簡單的積分求角度，沒有補償，沒有平滑。綜上可知，角速率測量效果比較好，角度測量可行，但算法有待提高。
　　
　　4、結(jié)論
　　
　　基于LMS8962ARM微處理器與CRSl0陀螺儀的角速率與轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)角速率測量誤差平均為0．550（°）／s，zui大達到7（°）／s，在小角速率測量時效果比較好。轉(zhuǎn)角測量誤差平均誤差為2．5°，測量精度有待進一步提高。造成角度測量誤差的原因主要是沒有對得到的角速率進行濾波和數(shù)據(jù)的融合。濾波算法和融合算法的使用和完善是該系統(tǒng)今后要完善的主要工作。從測量的結(jié)果來看，只要做好濾波和融合的處理，提高系統(tǒng)的性是可行的