ADXL202在組合車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用

引言

隨著定位導(dǎo)航技術(shù)的飛速發(fā)展和日臻成熟，車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)在相關(guān)領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)的功能是幫助用戶確定車(chē)輛位置并提供正確的操縱指示，因此定位的精確程度成為衡量一套系統(tǒng)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。目前，常用的定位手段有GPS衛(wèi)星定位、慣性導(dǎo)航定位和組合導(dǎo)航定位等。本文介紹的基于加速度傳感器ADXL202的定位方法是慣性導(dǎo)航定位中的一種。在車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)中，加速度傳感器完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，獲得車(chē)輛瞬時(shí)加速度值，然后由推算定位法（dead reckoning）計(jì)算出當(dāng)前位置相對(duì)于已知參考位置之間的偏移，從而得到車(chē)輛的絕對(duì)位置。在短時(shí)間內(nèi)，利用這種方法得到的定位精度很高，例如：在平均加速度28.4mg的情況下，10s鐘范圍內(nèi)，得到的定位誤差大約是0.5m，與GPS單點(diǎn)平均定位誤差15m―20m相比，是微不足道的；但是可以想象，由于時(shí)間的增加，誤差積累效應(yīng)會(huì)越來(lái)越大，嚴(yán)重影響導(dǎo)航的精度。因此，加速度傳感器通常和GPS一起組合成為組合導(dǎo)航系統(tǒng)，以提高定位精度，增強(qiáng)系統(tǒng)性能。


ADXL202工作原理

ADXL202是Analogy Devices公司出品的一款雙軸加速度測(cè)量系統(tǒng)，模擬輸入，可測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度和靜態(tài)加速度，輸出為周期可調(diào)的脈寬調(diào)制信號(hào)，可以直接與單片機(jī)或計(jì)數(shù)器連接。并且具有性能高、準(zhǔn)確度高、功耗低的特點(diǎn)（輸入電流小于0.6mA）。

ADXL202有很廣泛的應(yīng)用。主要用于慣性導(dǎo)航、傾斜感應(yīng)、地震監(jiān)控及汽車(chē)保險(xiǎn)等領(lǐng)域。ADXL202集成度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，為一單片集成電路，其內(nèi)部包含多晶硅表面微處理傳感器和信號(hào)控制電路以實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)加速度測(cè)量結(jié)構(gòu)。與其它加速度計(jì)相比較，ADXL202可在很大程度上提高工作帶寬，降低噪聲影響，零重力偏差和溫度漂移也相對(duì)較低。它的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示： 

ADXL202傳感器是由震蕩器，X、Y方向傳感器，相位檢波電路以及占空比調(diào)制器組成（如圖1所示），而且使用簡(jiǎn)單，具有數(shù)字輸出接口和模擬電壓信號(hào)輸出接口。

X、Y方向傳感器是兩個(gè)相互正交的加速度傳感器。這兩個(gè)傳感器同時(shí)工作，可以測(cè)量動(dòng)態(tài)變化的加速度和恒定的加速度。ADXL可以測(cè)量正、負(fù)兩個(gè)方向的加速度，而且具有很廣的測(cè)量范圍，可以測(cè)量 2g/ 10g的加速度。圖2表明，ADXL202相對(duì)于地平面方向變化時(shí)，X、Y方向?qū)?yīng)不同的輸出，從而可以計(jì)算出恒定的加速度。

傳感器之后，級(jí)連相位檢波器，主要是用來(lái)修正信號(hào)，并對(duì)信號(hào)的方向做出判斷。

從檢波器輸出的信號(hào)，通過(guò)一個(gè)32K 的電阻來(lái)驅(qū)動(dòng)占空比調(diào)制器。我們可以通過(guò)在XFILT和YFILT 引腳外接電容CX和CY來(lái)改變帶寬。外接電容對(duì)于濾除噪聲和抑制零點(diǎn)漂移都有好處。

信號(hào)通過(guò)低通濾波器之后，占空比調(diào)制器把信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出。通過(guò)T2腳的外接電阻可以改變T2的周期（0.5ms 到10ms），這很適合于在精度要求不同的場(chǎng)合下使用。

輸出的占空比信號(hào)通過(guò)計(jì)數(shù)器可以計(jì)算出占空比。加速度的計(jì)算可以通過(guò)公式（1）得到。

A(g)=(T1/T2-0.5)/12.5%..........................(1)

例如，當(dāng)加速度為0g時(shí)，信號(hào)寬度T1與空閑寬度（T2－T1）相同，輸出信號(hào)的占空比為50％；當(dāng)加速度為1g時(shí)，信號(hào)寬度T1與空閑寬度（T2－T1）的比值為5：3，輸出信號(hào)的占空比為62.5％。

ADXL202還可以直接輸出模擬信號(hào)，模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換處理也可得到加速度值。

基于ADXL202的組合車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文介紹的車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)主要是采用加速度傳感器和GPS接收機(jī)作為信號(hào)源進(jìn)行組合導(dǎo)航。由嵌入式微處理器EP7312作為車(chē)載導(dǎo)航的核心處理器，為整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供一個(gè)工作平臺(tái)，集中處理來(lái)自加速度傳感器ADXL202和GPS接收機(jī)ITRAX02的定位信號(hào)，處理后的結(jié)果通過(guò)地圖匹配算法定位到電子地圖上，并經(jīng)LCD屏輸出顯示、定時(shí)更新。整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖2所示： 

加速度傳感器ADXL202測(cè)量車(chē)輛在二維平面X和Y方向的加速度值，以脈寬調(diào)制信號(hào)的形式輸出，經(jīng)過(guò)CPLD得到占空比值（即T1/T2），并觸發(fā)中斷，把比值送入處理器。經(jīng)過(guò)2次積分運(yùn)算得到相對(duì)位移，緩存在內(nèi)存中；同時(shí)，GPS接收機(jī)ITRAX02接收基于無(wú)線的衛(wèi)星導(dǎo)航載波信號(hào)，解調(diào)后通過(guò)串行接口將信號(hào)幀送入嵌入式微處理器，由微處理器按照規(guī)定的傳送協(xié)議進(jìn)行信息提取，從而獲得二維平面位置、海拔高度、星歷時(shí)間、誤差分析等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行緩存。得到相對(duì)位移和GPS定位數(shù)據(jù)后，微處理器EP7312將相對(duì)位移數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)通過(guò)分布式數(shù)字卡爾曼濾波方式融合在一起，得到精度比較高的定位信息，并采用地圖匹配算法在電子地圖上標(biāo)繪出當(dāng)前位置，通過(guò)對(duì)LCD屏的刷新，將定位、導(dǎo)航信息及時(shí)提供給用戶。該系統(tǒng)使用加速度傳感器和GPS作為數(shù)據(jù)源進(jìn)行組合導(dǎo)航，既可以發(fā)揮加速度傳感器短期定位精度高、自主導(dǎo)航不受外界干擾的優(yōu)勢(shì)，又可以發(fā)揮GPS導(dǎo)航長(zhǎng)期定位穩(wěn)定，使用簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，減少了誤差積累帶來(lái)的影響，提高了系統(tǒng)性能。 

CPLD設(shè)計(jì)

在應(yīng)用車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)中，不可避免的會(huì)遇到雷雨天氣，以及山嶺洼地等路徑，這樣的條件，自然會(huì)對(duì)GPS信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。為了減少定位的不準(zhǔn)確，在使用GPS接收機(jī)定位的同時(shí)，利用加速度傳感器來(lái)進(jìn)一步定位。 CPLD主要實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)占空比的計(jì)算。

CPLD的處理過(guò)程如圖3所示： 

記數(shù)控制器用于對(duì)分頻器進(jìn)行控制，使分頻器的輸出信號(hào)頻率為傳感器輸出頻率的1000倍。由分頻器輸出的信號(hào)對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行采樣，統(tǒng)計(jì)一個(gè)周期內(nèi)采樣值為1的個(gè)數(shù)，并保存在緩存中。

計(jì)數(shù)器記滿之后，觸發(fā)中斷，通知CPU讀取數(shù)據(jù)。

為了低功耗考慮，通過(guò)使能信號(hào)EN來(lái)控制整個(gè)CPLD是否工作。EN信號(hào)可以由EP7312的GPIO口控制。


應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

我們?cè)赪indows CE操作系統(tǒng)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)導(dǎo)航程序。Windows CE是Microsoft Windows公司出品的小型的、基于ROM的、具有Win32子集API的操作系統(tǒng)，與其它嵌入式操作系統(tǒng)相比較，具有較強(qiáng)的內(nèi)存管理、文件管理和GUI功能。而車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)中，對(duì)于顯示地圖調(diào)度、用戶交互界面都有很高的要求。因此，基于Windows CE開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序是非常合適的。

車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用程序是一個(gè)多任務(wù)程序，啟動(dòng)后，初始化與GPS接收機(jī)ITRAX02相連的處理器串口1、與ADXL202相連的處理器串口2和與彩色LCD屏相連用于顯示車(chē)輛行駛位置的LCD控制器。作為中央處理器，EP7312實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)串口1和串口2中斷信號(hào)。當(dāng)ADXL202的脈沖調(diào)制信號(hào)經(jīng)由CPLD換算為占空比值送入處理器，就會(huì)引發(fā)相應(yīng)的串口中斷。

EP7312檢測(cè)到中斷信號(hào)時(shí)，由中斷控制器判斷找到相應(yīng)中斷服務(wù)程序的入口地址，調(diào)用程序進(jìn)行處理；當(dāng)GPS接收到一幀衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，也引發(fā)相應(yīng)的串口中斷，由中斷控制器判斷找到相應(yīng)中斷服務(wù)程序的入口地址，調(diào)用程序進(jìn)行處理。處理占空比值的中斷服務(wù)程序首先緩沖接收到的數(shù)據(jù)，濾波后經(jīng)過(guò)兩次積分得到一個(gè)周期內(nèi)的相對(duì)位移，記錄下來(lái)退出，交出CPU使用權(quán)；處理GPS數(shù)據(jù)的中斷服務(wù)程序首先緩沖接收到的數(shù)據(jù)，按照事先約定的格式，從中提取方向和位置信息，記錄下來(lái)，退出并交出CPU使用權(quán)。數(shù)據(jù)處理任務(wù)主要是將相對(duì)位移數(shù)據(jù)與GPS位置數(shù)據(jù)通過(guò)分布數(shù)字卡爾曼濾波方式融合在一起，彌補(bǔ)GPS數(shù)據(jù)定位精度不夠高的缺陷和加速度傳感器誤差積累的問(wèn)題，以得到精度比較高的定位信息，退出并交出CPU使用權(quán)。地圖匹配任務(wù)被調(diào)用后采用地圖匹配算法把定位信息投影到電子地圖上，進(jìn)行標(biāo)繪，通過(guò)對(duì)LCD屏的刷新，將定位信息及時(shí)提供給用戶。應(yīng)用程序流程如圖4所示。 


結(jié)束語(yǔ)

目前，該系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)計(jì)完畢，進(jìn)入最后的測(cè)試階段，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的測(cè)試，硬件性能和軟件性能良好，是一種可行的設(shè)計(jì)思路。