基于AMR和加速度傳感器的電子羅盤的抗干擾設(shè)計(jì)
本文介紹的基于AMR磁阻傳感器和加速度傳感器ADXL202的電子羅盤,是捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的一種。在電子羅盤系統(tǒng)中,單片機(jī)VRS51L3074完成對加速度傳感器輸出信號脈寬和周期的計(jì)數(shù),獲得車輛瞬時(shí)加速度值,然后利用三角函數(shù)關(guān)系計(jì)算出當(dāng)前位置相對于已知參考位置之間的橫滾和俯仰角度,進(jìn)行姿態(tài)解算,得到車輛的前進(jìn)方向和方位角。但是汽車電磁環(huán)境復(fù)雜,特別是汽車的震動(dòng)和瞬時(shí)功率變化會(huì)對ADXL202輸出的占空比信號產(chǎn)生尖峰脈沖干擾,嚴(yán)重影響計(jì)數(shù)的精度。因此,抑制脈沖干擾在提高計(jì)數(shù)精度、增強(qiáng)系統(tǒng)性能方面顯得尤為重要。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/159791.htm1 ADXL202工作原理
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,具有數(shù)字輸出接口和模擬電壓信號輸出接口。X、Y方向傳感器是2 個(gè)相互正交的加速度傳感器。ADXL202相對于地平面方向變化時(shí),X、Y方向?qū)?yīng)不同的輸出,從而可以測量動(dòng)態(tài)變化的加速度和恒定的加速度。傳感器的后級連相位檢波器,主要是用來修正信號,并對信號的方向作出判斷。檢波器輸出的信號通過1個(gè)32 kΩ的電阻來驅(qū)動(dòng)占空比調(diào)制器,設(shè)計(jì)時(shí)可以通過在XFILT和YFILT引腳外接電容CX和CY來改變帶寬。同時(shí),外接電容對于濾除噪聲和抑制零點(diǎn)漂移都有一定的效果。
信號通過低通濾波器之后,占空比調(diào)制器把信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。通過T2腳的外接電阻可以改變T2的周期T2(1~10 ms),這就方便在精度要求不同的場合下使用。輸出的占空比信號通過計(jì)數(shù)器可以計(jì)算出占空比。加速度的計(jì)算可以通過公式(1)得到。
當(dāng)加速度為Og時(shí),輸出信號的占空比為50%;靈敏度每1g所引起的脈寬占空比變化12.5%。在應(yīng)用中Og時(shí)的失調(diào)和系統(tǒng)誤差影響實(shí)際輸出值。則根據(jù)測得的加速度值即可求得X和Y軸的傾角:
當(dāng)加速度計(jì)被定向,那么它的X和Y軸就和地球表面平行可用來作為具有翻滾和傾斜兩個(gè)軸的雙軸斜度傳感器,被測物體的俯仰角記為γ和橫滾角β。將磁阻傳感器的3個(gè)敏感軸沿載體的3個(gè)坐標(biāo)軸安裝,分別測量地磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度H在載體坐標(biāo)系3個(gè)坐標(biāo)上的投影分量(HX,HY,HZ),然后利用俯仰角和橫滾角進(jìn)行姿態(tài)解算就可以得到電子羅盤的方位角。
2 ADXL202的抗干擾設(shè)計(jì)思想
根據(jù)ADXL202使用手冊知,傳感器與微處理器共用電源時(shí)會(huì)引起干擾,因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)采用了抑制干擾的解決方案。設(shè)計(jì)時(shí)采用1個(gè)0.1μF的電容和1 個(gè)小于或等于100 Ω的電阻來抑制干擾。實(shí)驗(yàn)測試顯示,仍然存在電路其他部分電源和傳感器電源互相影響的情況,干擾抑制效果并不理想。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn),傳感器采用獨(dú)立的電源供電,并且在布線時(shí)把器件和調(diào)理信號的電阻、電容放在1塊單獨(dú)的板上或用粗地線將其圍在線路板的某一區(qū)域,在實(shí)驗(yàn)室條件下得到較好的干擾抑制效果。但實(shí)際應(yīng)用中,汽車的震動(dòng)和瞬時(shí)功率變化對ADXL 202E輸出的占空比信號產(chǎn)生尖峰脈沖干擾(脈寬約1~2 ms)并不能消除,這就需要對其更多的處理。抑制和消除尖峰脈沖干擾影響的措施較多,常見的有硬件方法和軟件方法,或兩者相結(jié)合??紤]到電子羅盤整體體積和磁阻傳感器信號對干擾較為敏感,如果采用高效的硬件濾波,系統(tǒng)電路將變得非常龐大;使用簡易的硬件電路,濾波效果又不徹底。實(shí)際上,還可以借助于微處理器進(jìn)行軟件濾波消除尖峰脈沖干擾。軟件濾波算法的采用,無疑會(huì)在簡化電路結(jié)構(gòu)的同時(shí)使系統(tǒng)的硬件資源得到更加充分的利用,并達(dá)到降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本的要求。
ADXL202E輸出的信號占空比調(diào)節(jié)(DCM)周期由外接電阻決定,一般低于1 kHz,因此計(jì)數(shù)輸入端高低電平持續(xù)時(shí)間長達(dá)幾ms甚至幾十ms,可見傳感器輸出的正常計(jì)數(shù)信號高、低電平變化較慢;而控制器脈寬計(jì)數(shù)時(shí)間小于1μs,干擾尖峰脈沖是突變的,所以能把干擾從正常計(jì)數(shù)中辨別出來。因此,使用軟件濾波來消除尖峰脈沖干擾是可行的。
VRS51L3074單片機(jī)是由美國Ramtron(瑞創(chuàng))公司推出的8位單片機(jī)家族VRS51L3xxx系列的成員。VRS51L3074提供了2個(gè)與定時(shí)器O和1關(guān)連的獨(dú)立的脈寬計(jì)數(shù)器(PWC)模塊,用戶可通過對PWC模塊和定時(shí)器的配置,靈活地控制定時(shí)器啟動(dòng)或停止計(jì)數(shù),從而方便地實(shí)現(xiàn)對 ADXL202E輸出的脈寬和周期的計(jì)數(shù)。
從單片機(jī)計(jì)數(shù)輸入端,觀察信號波形。為便于分析,在高、低電平段設(shè)置了幾個(gè)干擾尖峰脈沖,分別標(biāo)示為Section A和Section C,占空比信號下降沿、上升沿分別標(biāo)示為Section B和Section D。單片機(jī)按計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期性采樣,采樣值中“1”表示采到的是高電平,“O”表示低電平。I/O口采樣占空比信號輸出端口中狀態(tài),利用1個(gè)字節(jié)型變量R來動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)采樣值??刂破髅坎蓸?次,變量R中數(shù)據(jù)向左移1個(gè)二進(jìn)制位,R原最高位電平狀態(tài)被移除,而當(dāng)前時(shí)刻新的采樣狀態(tài)保存到R的最低位,變量R被更新了,狀態(tài)存儲(chǔ)器R中保存著最近8個(gè)采樣周期的采樣值。
在圖1中,從正常下降沿過程(Section B),可以看到變量R中的數(shù)據(jù)經(jīng)歷了從各位全為1,到1、O共存,再變化到全為O的過程;然而,在高電平段的干擾部分(Section A),變量R經(jīng)歷了從全為1,到1、0混合,再回到全為l的過程。類似地,正常上升沿(Section D)變量R經(jīng)歷了各位全為0,到O、1共存,再變化到全為1的狀態(tài)變化過程;在低電平段的干擾部分(Section C),變量R經(jīng)歷了采樣狀態(tài)從全為O,到O、1混合,再回到全為O的過程。通過判斷此4種情況下變量R中數(shù)據(jù)的不同變化過程,可以達(dá)到從正常變化中辨別出干擾的目的。這就是本設(shè)計(jì)所采用的軟件濾波抗干擾方法的基本思想。
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