双轴加速度传感器ADXL202及其应用设计

引言

　　ADXL202是ADI公司出品的一款双轴加速度测量系统，模拟输入，可测量动态加速度和静态加速度，测量范围为±（2～10）g，输出为周期可调的脉宽调制信号，可以直接与单片机或计数器连接。LPC2103为飞利浦公司的一款ARM7系列微控制器，主要用于工业控制、医疗系统、访问控制、POS机、通信网关等领域。本文使用LPC2103实现对ADXL202加速度数据的采集与处理。

1  ADXL202加速度传感器

1.1  ADXL202的引脚定义及基本特性

　　ADXL202为单片集成电路，集成度高、结构简单，内部包含多晶硅表面微处理传感器和信号控制电路，以实现开环加速度测量结构。与其他加速度计相比，ADXL202可在很大程度上提高工作带宽，降低噪声影响，零重力偏差和温度漂移也相对较低。图1所示为ADXL202传感器的引脚定义。

图1  引脚定义

　　ST： 自检，用于控制芯片自检功能。接VDD时，输出占空比为10%的波形，说明芯片正常工作。
　　COM： 引脚4、7。使用时需将2个COM端接在一起并接地。
　　T2： 经电阻RSET接地，调节输出信号周期。输出信号周期T2=RSET/（125 MΩs-1）。
　　VDD： 电源。工作电压范围为+3.0～+5.25 V，可经过100 Ω的去耦电阻接电源。
　　XFILT、YFILT： 经电容接地，用于改变带宽、滤除噪声和抑制零点漂移。
　　Xout、Yout: 输出。

　　图2为ADXL202传感器的内部结构原理图。ADXL202传感器由振荡器，X、Y方向传感器，相位检波电路以及占空比调制器组成，具有数字输出接口和模拟电压信号输出接口。X、Y方向传感器是2个相互正交的加速度传感器，它们同时工作，可以测量动态变化的加速度和恒定的加速度。传感器之后级连相位检波器，主要是用来修正信号，并对信号的方向做出判断。检波器输出的信号，通过一个32 kΩ 的电阻来驱动占空比调制器，通过在XFILT和YFILT 引脚外接电容CX和CY来改变带宽。

图2  传感器内部结构原理图

1.2  测量数据的计算及处理

(1) 信号带宽的计算通
　　过CX和CY来设定带宽，在XFILT和YFILT引脚接上电容，通过低通滤波器来减少噪声。3 dB带宽的公式为：f=5 μF/C(x,y)(电容最小值为1 000 pF)

(2) 加速度的计算
　　输出信号周期T2=RSET /(125 MΩs-1)，如图3所示。

图3  占空比信号

　　信号通过低通滤波器之后，占空比调制器把信号转换为数字信号输出。通过T2引脚的外接电阻可以改变T2的周期（0.5～10 ms），这很适于在精度要求不同的场合下使用。输出的占空比信号通过计数器可以计算出占空比。加速度的计算可以通过下式得到：

　　a=(T1/T2-0.5)/（12.5%）

　　例如，当加速度为0g时，信号宽度T1与空闲宽度（T2－T1）相同，输出信号的占空比为50％；当加速度为1g时，信号宽度T1与空闲宽度（T2－T1）的比值为5∶3，输出信号的占空比为62.5％。

1.3  ADXL202的典型应用

　　ADXL202传感器最重要的应用之一是倾斜度的测量。在进行倾斜度测量时，需要让传感器的敏感轴（x轴）与重力方向垂直。如果与重力方向平行，物体倾斜对于加速度数据的影响可以忽略不计。图4所示为加速度测量的原理图。

图4  加速度测量

　　当ADXL202与重力矢量垂直时，其输出随倾斜度的变化大约为每度17.5 mg，当两者呈45°时，输出变化值仅为每度12.2 mg，分辨率降低。表1为倾斜角度与加速度变化的关系。

表1  倾斜角度与加速度变化的关系

2  应用电路设计

2.1  硬件接口设计

　　LPC2103是一个支持实时仿真和跟踪的32位ARM7TDMIS CPU，并带有8 KB片内SRAM和32 KB嵌入的高速片内Flash内存。LPC2103具有LQFP48的较小封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC、2个外部中断、最多可达32个GPIO。通过可编程的片内PLL（可能的输入频率范围：10～25 MHz）可实现最高70 MHz 的CPU 时钟频率。ADXL202传感器与LPC2103的接口电路如图5所示。

图5  ADXL应用电路图

　　ADXL202加速度传感器的T2经125 kΩ电阻接地，可以得到信号输出的周期为1 ms。13、14引脚接+5 V电源，XFILT和YFILT经0.1 μF电容接地，用于设置50 Hz带宽。两路输出分别与LPC2103的P0.0和P0.2引脚相接，作为数据传输线。数据传输有两种方法，分别为普通GPIO口方式和定时器捕获中断方式。

2.2  普通GPIO口方式

　　由于传感器输出均为DCM信号，无论采用什么方式进行数据接收，都需要定时器/计数器工作，对DCM信号进行计时处理。因此，程序首先要对定时器进行初始化。然后分别对DCM信号的高电平和低电平持续时间进行计时，得到T1、T2的值，再进行加速度计算。由于默认情况下GPIO均为普通I/O方式，所以开始不用设置PINSEL寄存器。普通GPIO口方式程序如下：

#define KEY 0x00000001//X轴加速度P0.0,前向加速度
T1PR=0;//预分频为0，使得T1TC即为pclk个数
while((IOPIN&KEY)!=0);//下降沿或低电平跳出
while((IOPIN&KEY)==0);//上升沿或高电平跳出
T1TCR=0x03;//启动并复位T1TC
T1TCR=0x01;
while((IOPIN&KEY)!=0);//下降沿跳出,等下降沿来临
t1=T1TC;//取此时计数器的值
T1TC=0x00;//复位计数器
while((IOPIN&KEY)==0);//上升沿跳出，等待上升沿的来临
t2=T1TC;
T1TCR=0x00;//关闭定时/计数器T1
a1=(((fp32)t1/((fp32)t2+(fp32)t1))-0.5)*8;//计算加速度

　　普通GPIO口方式的程序比较简单，虽然程序的执行需要时间，但由于LPC2103的主频可以达到40 MHz，执行几条指令只需几微秒，所以产生的误差会很小。但普通GPIO方式程序执行时，CPU一直在等待上升沿或下降沿的到来，大大降低了CPU的使用效率。可以使用图5所示Xout与LPC2103的接口方式。

2.3  定时器捕获中断方式

　　如图5所示，Yout与LPC2103的P0.2引脚相接，利用P0.2的功能复用，可以实现定时器捕获中断方式接收传感器数据。主要程序段如下：

#define ya 0x00000004//引脚功能初始化
PINSEL0=0x00000020; //设置引脚连接为定时器0的捕获通道0
PINSEL1=0x00000000;//向量中断设置
VICIntSelect=0x00000000;//设置所有中断为IRQ中断
VICVectCntl0=0x24;//定时器0中断为最高优先级
VICIntEnable=0x0010;//使能定时器0中断定时器0初始化
T0PR=0;//预分频为0，使T0TC即为pclk的个数
T0CCR=0x07;//置TIMER0的CAP0为上升、下降沿捕获，触发中断
T0MR0=0xFFFFFFFF;//设置匹配值
T0TCR=0x03;//启动并复位T0TC
T0TCR=0x01;//中断服务程序
void __irq time0(void) {
T0IR = 0x10;//复位定时器中断标志
if((IOPIN&ya)==0) {
t1=T0CR0;//读取T0TC
T0TC=0x00;//复位T0TC
}
else if((IOPIN&ya)!=0) {
t2=TOCR0;//读取TOTC
T0TC=0x00;//复位T0TC
}
VICVectAddr =0x00;//中断处理结束
}

　　中断处理程序运行之后，得到的信号周期应为T2=t1+t2。故加速度为(((fp32)t1/((fp32)t2+(fp32)t1))-0.5)*8。使用中断服务程序大大提高了CPU的使用效率，但程序较为复杂，并且占用了一个中断向量通道。

结语

　　ADXL202传感器的应用方法经过验证完全可行，并且能够达到较高的测量精度。由于集成度高，由ADXL202和ARM系列微控制器组成的系统完全可以用于汽车、火车等交通工具的安全控制系统。ADXL202在惯性导航、倾斜感应、地震监控及汽车保险等领域都有着广泛的应用，精度高、集成度高、功耗低等特点使之完全可以取代传统的加速度传感器。

参考文献

[1]  周立功 .ARM微控制器基础与实战 [M] . 北京:北京航空航天大学出版社 ,2003.
[2]  ADI. Low Cost ±2g/10g Dual Axis iMEMS Accelerometers with Digital Output ADXL202/ADXL210 Technical Note,1999.

（收稿日期：2008-07-14）