基于三軸加速度計(jì)的傾斜角傳感器的研究與設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)高精度全擺幅傾斜測量就必須把兩軸加速度傳感器垂直放置，一個傳感方向與重力方向垂直，一個傳感方向與重力方向平行。運(yùn)用此方法測量傾斜角。加速度傳感器測量結(jié)果為：

此時θ為單方向上全擺幅、高精度傾斜角度。運(yùn)用兩軸加速度傳感器無法解決傾斜角測量中全方位和全擺幅不能共同實(shí)現(xiàn)的矛盾。所以為測量一個全方位，全擺幅的傾斜角就必須使用三軸加速度計(jì)。
運(yùn)用三軸加速度計(jì)測量傾斜角就必須把測量范圍分為兩檔，一檔為傾斜角為-π／4～π／4，二檔為傾斜角為(-π／2～-π／4)＆(π／4～π／2)。當(dāng)傾斜角度在±π／4之間時，， 這里以F(θz)的值作為劃分檔次的依據(jù)。在一檔中F(θx)，F(xiàn)(θy)的分辨率很高，此時相當(dāng)于運(yùn)用一個兩軸加速度傳感器測量全方位，低擺幅傾斜角，運(yùn)用式(15)可以計(jì)算傾斜角。在二檔中F(θz)的分辨率都很高，此時相當(dāng)于運(yùn)用一個一軸加速度傳感器測量全方位，高傾斜角度的傾斜角，運(yùn)用式(1)可以計(jì)算傾斜角。

2 SCA3000
傳感器的微型化、智能化、低功耗是當(dāng)今傳感器發(fā)展的必然趨勢，微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)(MicroElectro，Mechanical Systems，MEMS)是傳感器微型化發(fā)展道路上的一項(xiàng)重要技術(shù)。SCA3000-D1是VTI公司的全數(shù)字化三軸加速度計(jì)，量程±2g，電源電壓3．3 V，64組緩沖存儲器記錄數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)一級上面，有先進(jìn)的性能和有效節(jié)能方式，頻率響應(yīng)可選，SPI數(shù)字串口通信，抗沖擊力強(qiáng)，可以應(yīng)用于許多惡劣的條件下。

2．1 傳感器前端
前端單元采用了耐用、穩(wěn)定、低功耗和噪聲的電容傳感器，這個前端單元包含三個加速度傳感塊。由于結(jié)構(gòu)原因，三個加速度傳感塊傳感方向與直角坐標(biāo)成45°角，所以在接口電路模塊中有一個匹配處理，加速度導(dǎo)致電容變化接著在信號調(diào)理電路中轉(zhuǎn)化為電壓變化。
2．2 接口電路
傳感單元連接一個電容電壓轉(zhuǎn)換器，接下來在模擬領(lǐng)域校準(zhǔn)，信號通過ADC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，ADC信號被分離成三個信號處理通道，經(jīng)過低通濾波器和驟減。之后，信號配合上直角坐標(biāo)系和傳輸給輸出寄存器。在一般測量中，加速度數(shù)據(jù)能夠通過串行總線SPI讀出。

3 硬件設(shè)計(jì)
在此運(yùn)用ARM7微控制器LPC2210和三軸加速度計(jì)SCA3000測量數(shù)據(jù)。運(yùn)用ZLG7290控制LED顯示傾斜角度，保留一組SPI接口用于擴(kuò)展功能。
如圖5所示，LPC2294通過SPI總線連接SCA3000，通過I2C總線連接ZLG7290，開關(guān)S1，S2，S3，S4用做校準(zhǔn)功能使用，具體運(yùn)用后面介紹。

SPI是一個全雙工的同步串行接口，一個SPI總線可以連接多個主機(jī)和多個從機(jī)，但是在同一時刻只允許一個主機(jī)操作總線，總線上只能有一個主機(jī)和一個從機(jī)通信。SPI總線一般由3～5根線組成，如圖5所示為經(jīng)典的4線SPI連接電路，一個主機(jī)連接兩個從機(jī)，主出從進(jìn)(Master Out Slave In，MOSI)，主入從出(Master In Slave Out，MISO)，串行時鐘(Serial ClocK，SCK)，片選(Chip Select，CSB)低有效，工作時SSO，SSl只能有一個為低。主機(jī)一般為微控制器產(chǎn)生串行時鐘，從機(jī)接收時鐘。SCA3000一般作為從機(jī)組成一個系統(tǒng)。