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基于ARM与MEMS器件的微惯性测量装置设计

作者:牛徐明 王田苗 梁建宏2008.03.19阅读 1276

     在仿生推进机理的研究中,精确测量鱼类尾鳍拍动参数对于鱼类仿生推进机理研究及工程应用具有重要的意义;然而,目前研究者大多采用分析高速摄像机拍摄的图像获得参数的观测方法。这种方法受到环境与设备的限制,结果精确度较差。本设计是一种基于MEMS器件的生物运动微惯性测量装置。利用该装置实现了对SPC-III机器鱼尾鳍拍动参数的精确测量,为国内首次利用MEMS器件进行的活体鱼尾鳍拍动参数测量实验打下了基础,为机器鱼仿生推进设计理论提供支撑。


1 设计要求和系统结构
     根据活体鱼类的生物特征和实验本身的特点,微惯性测量装置应该满足下列设计要求:体积小,质量轻控制工程网版权所有,功耗低,采集频率和采集精度高CONTROL ENGINEERING China版权所有,防水密封性能良好。为了实现这些需求,微惯性测量装置的硬件由两部分组成:①微处理器单元;②微惯性传感器单元。微处理器单元主要包括微处理器、A/D转换芯片和Flash。微处理器作为核心单元,通过SPIl口连接A/D转换芯片完成数据采集,通过SPIO口连接Flash完成数据存储,通过串口与上位机通信。微惯性传感器单元是由MEMS加速度计和MEMS陀螺所组成的,完成加速度与角速度的原始信息采集任务。采集的原始信息经过A/D转换处理后,写入Flash芯片中保存,或通过串口直接发送至上位机进行处理。系统原理简图如图l所示。

基于ARM与MEMS器件的微惯性测量装置设计如图

2 微处理器单元
2.1 LPC2129处理器
     本装置既要求微处理器具有一定的处理能力又要求功耗低、体积小,所以选用Philips公司的LPC2129。LPC2129基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-SCPU,并带有16 KB片内SRAM和256KB嵌入的高速片内Flash存储器。

  LPC2129具有LQFP64的较小封装、极低的功耗、多个32位定时器、4路10位ADC、9个外部中断、最多可达46个GPIO等。  在LPC2129的软件设计上,未采用ARM上常用的uC/OS-II或uClinux操作系统,而是使用前后台式的定时中断结构。这种前后台式的定时中断结构更适于实时性要求很高的控制系统,可以保证控制回路延迟均在一个设计确定的范围内,并且各个模块问优先级关系十分明确CONTROL ENGINEERING China版权所有,使用起来较为方便。

2.2 A/D转换采集芯片ADSl256
     A/D转换芯片采用美国TI公司的24位串行模/数转换器ADSl256。其可提供高达23位的无噪声精度,数据速率最高可达30 ksps。ADSl256采用四线制SPI通信方式,与LPC2129的SPIl接口相连控制工程网版权所有,可以灵活方便地进行通信。


     ADS1256采用多通道循环采集的工作方式。在数据准备信号DRDY提示可以提取数据后,首先将当前的采集通道变为下一个采集通道,开始新的采集转换,然后再马上提取A/D转换寄存器中的数据(这时的数据其实是上一轮转换好的数据)。这种方式在实现提取数据的同时进行新数据的采集转换,是一种高效率的工作方式。

2.3 Flash芯片AT45DB041B
     Flashl选用Atmel公司的可编程串行存取芯片AT45DB041B。主存储单元分为2048页,每页264字节;具有2个264字节静态随机存储器作为数据缓冲器。

    AT45DB04lB与LPC2129的SPI0接口相连,采集的数据首先写入Flash的缓冲区2中,再将缓冲区里的数据写入Flash的主存页面进行保存,待离线的数据分析处理。


3 微惯性传感器单元
    微惯性测量装置的MEMS传感器单元由微机械陀螺和微加速度计组成,可精确测量载体的一个轴向角速度信息和一个轴向加速度信息。

3.1 ADXRS300单角速度陀螺仪
     ADXRS300是美国模拟器件公司生产的基于MEMS技术的角速度传感器。ADXRS300采用+5V电源供电,测量偏航角速度的范围是±300rad/s,灵敏度为5mV/(rad·s-1),零位输出电压为2.5V。通过外部电阻和电容可分别设定测量角速度的范围、带宽及零位输出电压。采用BGA-32封装技术,外围尺寸仅为7mm×7mm×3mm,重量仅0.5g。

    设被测量的角速度为αv,单位为(°)/s;输出电压为Uo,单位为mV;灵敏度K为5mV/(°)·s-1CONTROL ENGINEERING China版权所有,零位输出电压为2.5V,则有关系式:

    32ADXLl50单轴加速度计
3.2 ADXLl50单轴加速度计
     ADXL150是

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