摘要：系統(tǒng)以ADIS16365為慣性傳感器，LM3S8962為棱心處理器，IAR為開發(fā)平臺，卡爾曼濾波和辛普森積分為數(shù)據(jù)處理方法，研制基于ADI-S16365的慣性傳感系統(tǒng)。結果表明，該系統(tǒng)具有較高的角度穩(wěn)定性和準確性。為了使該系統(tǒng)具有應用的靈活性，將該傳感系統(tǒng)作為CAN節(jié)點應用在整個系統(tǒng)設計中。該系統(tǒng)已用于亞太機器人比賽中，實現(xiàn)了準確定位。
關鍵詞：慣性傳感系統(tǒng)；ADIS16365；LM3S8962；CAN總線

0 引言
    慣性傳感器包括加速度計、加速度傳感器，角速度傳感器以及它們的單、雙、三軸組合IMU(慣性測量單元)，AHRS(包括磁傳感器的姿態(tài)參考系統(tǒng))，它的應用領域十分廣泛。近年來，基于MEMS(微機電系統(tǒng))技術的微機械慣性器件日漸成熟，用MEMS慣性器件構成慣性系統(tǒng)已成為目前慣性技術領域的一個研究熱點。
    傳統(tǒng)研究方法是先建立數(shù)學模型，后期采用數(shù)據(jù)處理算法來糾正誤差。在慣性系統(tǒng)的應用中，這不僅要求數(shù)學模型準確可靠，而且普通的微控制器由于處理速度限制，而很難處理如此大的數(shù)據(jù)量，采用高性能DSP無疑增加了成本。為此，設計了以LM3S8962為核心處理器，以ADIS16365為慣性傳感器的慣性系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用ADIS16365自身的數(shù)據(jù)處理功能對三軸角速度和角加速度數(shù)據(jù)進行處理。在外部再經過濾波與積分，得到了精確的角度信號，滿足了系統(tǒng)的可靠性和?？刂埔?。此外，面對系統(tǒng)對慣性數(shù)據(jù)需求量的增多，將該慣性系統(tǒng)設計為一個CAN節(jié)點應用于整個系統(tǒng)。

1 ADIS16365概述
    ADIS16365是ADI公司于2008年9月推出的一款全新的數(shù)字輸出的高性能微慣性測量系統(tǒng)。這款傳感器結合了ADI公司的iMEMS和混合信號處理技術，提供校準的數(shù)字慣性檢測。系統(tǒng)除分別提供3個軸方向上的角速度、角加速度以外，還包括自動偏置校準、數(shù)字濾波與采樣速率、自檢、電源管理、條件監(jiān)控、模數(shù)轉換，以及輔助數(shù)字輸入／輸出，這些功能都通過快速的數(shù)據(jù)訪問接口(SPI)與MCU進行交互，提供方便的數(shù)據(jù)和配置控制。ADIS16365的一些性能參數(shù)如下：角度分辨率為±80(°)／s；典型帶寬為0．33 kHz；線性加速度補償因子為0．05(°)／s／g；運動偏移穩(wěn)定性為0．009(°)／s。

2 慣性測量系統(tǒng)硬件設計
2．1 總體設計
    該系統(tǒng)硬件主要包括ADIS16365，CTM8251，LM3S8962。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

     LM3S8962是TI公司一款用于工業(yè)控制的32位高速控制器，內部集成了工業(yè)控制用到的各種常用協(xié)議，其中CAN模塊支持CAN 2．0B協(xié)議，位速率高達1 Mb／s，具有可編程FIFO模式，使實時應用成為可能。此外，其內部擁有256 KB的單周期FLASH，可用于數(shù)據(jù)存儲，方便外部讀取。CTM8251是一款帶隔離的通用CAN收發(fā)器模塊，該模塊內部集成了所有必須的CAN隔離及CAN收、發(fā)器件。模塊的主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電平并且具有DC 2 500 V的隔離功能。
2．2 硬件電路設計
    陀螺儀硬件電路原理圖如圖2所示，選用LM3S8962自帶的SPI硬件接口對ADIS16365進行操作，在電路設計中只需要直接將LM3S8962的SPI硬件I／O接口與ADIS16365相應的接口連接起來。

    CAN接口原理圖如圖3所示，LM3S8962對應的CAN接口分別為PD0和PD1，將其與CTM8251進行電氣連接，通過對CTM8251進行相應的電路配置，并且在信號輸出端做好相應的屏蔽工作以防止噪聲干擾傳輸和靜電帶來的不安全因素，最后將CTM8251輸出的高、低端分別與器件相應引腳連接。
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3 慣性測量系統(tǒng)軟件設計
3．1 總體設計
    微控制器直接控制慣性傳感器的工作狀態(tài)并采集角速度、角加速度等信息，為了達到處理的實時性，當ADIS16365有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，中斷通知微控制器進行讀取。微控制器將采集到的數(shù)據(jù)進行積分及濾波處理，并將處理后的信息存儲在片內FLASH中。當微控制器接收到數(shù)據(jù)請求時，通過CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)。圖4為系統(tǒng)主流程圖。

3．2 數(shù)據(jù)采集設計
    微控制器通過SPI模式3與慣性傳感器通信，在時鐘下降沿時建立數(shù)據(jù)，上升沿時讀取數(shù)據(jù)。圖5為通信時序圖。

    從圖5可以看出，一個SPI傳輸包有16位。由于LM3S8962是32位處理器，因此每次可以傳輸一個SPI傳輸包。傳輸包高字節(jié)包括1位的讀／寫狀態(tài)位和7位寄存器地址信息，低字節(jié)為讀／寫寄存器數(shù)據(jù)。ADIS16365的內部寄存器為16位，拆分為2個8位，分為高低地址，因此讀／寫操作都需要2個傳輸包。如果是寫操作，則第一個傳輸包的高字節(jié)說明寄存器的低8位地址，低字節(jié)為寫入寄存器低8位的值，第二個傳輸包則相應地寫入寄存器的高8位；如果是讀操作，則第一個傳輸包的高字節(jié)說明寄存器低8位地址，低字節(jié)無效，寄存器的值出現(xiàn)在第二個傳輸包。
    ADIS16365擁有較為完善的數(shù)據(jù)處理方案，經測試，使用其內部校正功能可以明顯改善系統(tǒng)性能。根據(jù)寫入GLOB_CMD寄存器命令的不同，可以采用不同的處理方法。表1和表2列出了內部普通校準和精確校準與未校準數(shù)據(jù)的比較。

3．3 CAN總線節(jié)點設計
    控制器區(qū)域網(wǎng)(CAN)總線屬于現(xiàn)場總線范疇，它是德國Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多測試與控制儀器的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。經過多年的應用發(fā)展，CAN以其極高的可靠性、實時性和靈活性而廣泛應用在各種領域。鑒于此，該系統(tǒng)采用CAN協(xié)議來完成數(shù)據(jù)的交換。
    CAN2．0B協(xié)議規(guī)定了4種幀類型：數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤幀和過載幀。其中數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)從發(fā)送器傳輸?shù)浇邮掌?，遠程幀用于請求具有同一標志符的數(shù)據(jù)幀。CAN協(xié)議沒有規(guī)定地址的概念，所有數(shù)據(jù)傳輸均基于報文標識符，當總線上出現(xiàn)一個報文時，所有節(jié)點的CAN驗收濾波器將該報文的標識符與自身的驗收代碼寄存器和驗收屏蔽寄存器比較，來決定是否接收該報文。因此，該系統(tǒng)將慣性傳感器數(shù)據(jù)標識為“GY-Rn”，其中n為接收端編號，對于擴展幀的29位標識符而言，除去前綴“GYR”24位外，最多可以有32個接收端，滿足一般系統(tǒng)需求。為使LM3S8962的CAN模塊能響應所有數(shù)據(jù)請求，只需將驗收屏蔽寄存器的后5位置1即可。當接收端n需要數(shù)據(jù)時，發(fā)送標識符為“GYRn”的遠程幀，LM3S896 2的CAN模塊在接收到之后從內部FLASH中讀取數(shù)據(jù)，再回發(fā)相同標識符的數(shù)據(jù)幀完成通信。

4 結語
    這里所設計的慣性系統(tǒng)主要采用MEMS器件ADIS16365，測量目標的三種角速度。采用含CAN控制器的LM3S8962微控制器進行控制，只需很少的外圍器件即獲得了優(yōu)異的性能。結構簡單、體積小，使用方便，具備較強的使用性。