摘  要： 針對(duì)MEMS陀螺儀在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)不到需要的精度,，為改善陀螺儀的工作性能，降低陀螺信號(hào)噪聲,，通過(guò)AT89S52單片機(jī)與ADIS16355慣性陀螺儀搭建一個(gè)硬件平臺(tái),，經(jīng)過(guò)SPI接口通信、AT89S52單片機(jī)控制,，將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)LCD顯示,，并對(duì)平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了誤差分析,，該系統(tǒng)具有較高精度,、成本低、操作方便簡(jiǎn)單,，在陀螺儀實(shí)際應(yīng)用中具有良好的推廣價(jià)值,。
關(guān)鍵詞： MEMS陀螺儀；ADIS16355芯片,；AT89S52單片機(jī),；SPI接口；數(shù)據(jù)采集

　MEMS(Micro Electron Mechanical System)陀螺儀是一種可以精確測(cè)量物體方位的儀器,，不僅成本低,，體積小，重量輕,，而且可以與微電子加工的電路實(shí)現(xiàn)集成,，做到機(jī)電一體化。MEMS陀螺適用于汽車(chē)工業(yè),、慣性導(dǎo)航,、計(jì)算機(jī)、機(jī)器人、軍事等急需大量小型,、廉價(jià)陀螺的應(yīng)用領(lǐng)域,，是國(guó)防、工業(yè)發(fā)展中必不可少的儀器,。
    但是,，MEMS陀螺儀在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)不到需要的精度，為了提高陀螺儀系統(tǒng)工作性能和測(cè)量精度,，對(duì)陀螺儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并減小誤差是至關(guān)重要的,。
    ADIS16355慣性測(cè)量裝置將三軸角速度感知與三軸加速度感知相結(jié)合，提供六自由度運(yùn)動(dòng)感知,、嵌入式校準(zhǔn)與傳感器處理以及傳感器-傳感器交叉補(bǔ)償,，并大大提高信號(hào)穩(wěn)定性(使用偏移穩(wěn)定性為0.015 deg/sec），體積小于1立方英寸,。ADIS16355是在整個(gè)溫度范圍內(nèi)校準(zhǔn),，具有卓越的偏壓溫度穩(wěn)定性(0.005 deg/sec/°)。ADISl6355提供一個(gè)串行外部接口SPI(Serial Peripheral Interface),，通過(guò)SPI可以對(duì)芯片進(jìn)行配置,，獲得運(yùn)行狀態(tài)與測(cè)量結(jié)果等，其對(duì)外部供電要求不高,，內(nèi)部自帶高精度的穩(wěn)壓電路,，外圍電路較少[1]。
    AT89S52單片機(jī)[2]是一種低功耗,、高性能CMOS 8位微控制器,，具有8 KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，使用美國(guó)ATMEL公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造,，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容,。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash,，同時(shí),，AT89S52帶有ISP下載功能，它利用在線編程器替代昂貴的單片機(jī)仿真器編程器,，既方便使用,，又節(jié)省開(kāi)發(fā)費(fèi)用。
    本文結(jié)合單片機(jī)對(duì)ADIS16355慣性傳感器進(jìn)行控制,，將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)并通過(guò)LCD1602進(jìn)行顯示,，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，并分析了系統(tǒng)存在的誤差,。
1 ADIS16355芯片數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)計(jì)
    根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需要,，系統(tǒng)以AT89S52作為主控單元,，外擴(kuò)一片6264靜態(tài)存儲(chǔ)器作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并設(shè)計(jì)AT89S52與ADIS16355通信的SPI接口模塊,、LCD顯示模塊,、鍵控模塊和在線編程模塊，系統(tǒng)硬件連接框圖如圖1所示,。

1.1 主控模塊
    控制單片機(jī)AT89S52具有8 KB Flash,，256 B RAM，32 bit的I/O口線,，看門(mén)狗定時(shí)器,，兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，3個(gè)16 bit定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,，一個(gè)六向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu),，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路等功能[3],。它與ADIS16355陀螺儀之間通過(guò)SPI接口相連。因?yàn)锳T89S52單片機(jī)沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的SPI接口,，只能通過(guò)軟件模擬P2.0口為時(shí)鐘信號(hào)線與陀螺儀的SPI接口SCLK引腳相連,，P2.1口為主輸出從輸入MOSI與陀螺儀SPI接口的數(shù)據(jù)輸人SDI引腳相連，P2.2口為主輸入從輸出MISO與陀螺儀SPI接口的數(shù)據(jù)輸出SDO引腳相連,，P2.3口為片選信號(hào),。P3.2、P3.3為中斷引腳,，分別與ADIS16355的DIO1和DIO2相連,，為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中斷。
1.2 LCD顯示模塊
    系統(tǒng)顯示部分采用液晶LCD1602芯片,，其特點(diǎn)是：功耗低,、體積小、質(zhì)量輕,、顯示質(zhì)量高,、數(shù)字式，采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口和單片機(jī)連接簡(jiǎn)單,，操作方便,，能夠同時(shí)顯示16×2即32個(gè)字符，1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形,，方便顯示控制器采集出的數(shù)據(jù),。
1.3 在線編程模塊
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)了在線編程模塊，利用STC-ISP編程燒錄軟件實(shí)時(shí)在線下載程序,，大大方便了開(kāi)發(fā)者,，提高了系統(tǒng)研發(fā)效率,。
1.4 SPI接口模塊通信與配置
    SPI是MOTOROLA公司提出的同步串行總線方式，是一種全雙工,、同步,、串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)總線，與其他串行總線相比,，它具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、速度快、通信可靠等優(yōu)點(diǎn)[4],。標(biāo)準(zhǔn)的SPI總線由4根信號(hào)線組成：時(shí)鐘信號(hào)(SCLK),、主輸入\從輸出線(SDI)、主輸出\從輸入線(SDO)和片選信號(hào)(CS),。
    系統(tǒng)中ADIS16355通過(guò)SPI接口與外部進(jìn)行通信,，需要外部設(shè)備MCU通過(guò)該接口對(duì)其內(nèi)部各寄存器進(jìn)行設(shè)置，圖2所示是一個(gè)典型的寫(xiě)入控制寄存器命令的數(shù)據(jù)幀,。由芯片資料[5]可知,，DIN系列的首位是1，第二位是0,，后面是目標(biāo)寄存器的6 bit地址和8 bit數(shù)據(jù)命令,，因?yàn)槊恳粋€(gè)寫(xiě)命令包含一個(gè)數(shù)據(jù)位，所以給整個(gè)16 bit寄存器空間寫(xiě)值時(shí)要求有兩個(gè)數(shù)據(jù)幀,。圖3為ADIS16355讀操作SPI時(shí)序圖,，由芯片資料[5]可知ADIS16355完成一次SPI通信包括16 bit數(shù)據(jù)，其中第1位是SPI傳輸?shù)淖x寫(xiě)狀態(tài)標(biāo)識(shí),，第2位為0,，緊跟著的6 bit是目標(biāo)寄存器地址，最后8 bit是在寫(xiě)操作時(shí)將要寫(xiě)進(jìn)寄存器的數(shù)據(jù),，如果是讀操作則忽略,，完成ADIS16355的一個(gè)讀操作需要進(jìn)行兩次16 bit的SPI通信，其中第一次是寫(xiě)入將要讀取的寄存器地址,，該寄存器的內(nèi)容將在第二次SPI通信出現(xiàn)在ADIS16355的DOUT信號(hào)線上,，輸入SPI的主設(shè)備。

    本設(shè)計(jì)中控制器與ADIS16355進(jìn)行SPI通信的每個(gè)數(shù)據(jù)幀為16 bit,，而AT89S52的數(shù)據(jù)寬度為8 bit,，所有內(nèi)部寄存器和數(shù)據(jù)空間存儲(chǔ)器都是8 bit寬度組成，作為主設(shè)備在其發(fā)出有效的SPI片選信號(hào)使能ADISl6355后,，要對(duì)其自身的SPI數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行兩次寫(xiě)操作,，才能在總線上完成一次16 bit數(shù)據(jù)傳輸。
2 軟件設(shè)計(jì)
    ADISl6255陀螺儀所有的數(shù)據(jù)和命令的讀取和寫(xiě)入都是通過(guò)讀寫(xiě)寄存器來(lái)完成的,。通過(guò)AT89S52單片機(jī)編寫(xiě)程序讀取ADISl6355內(nèi)部相應(yīng)的寄存器地址,，相應(yīng)讀取回來(lái)的12 bit或者14 bit長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)換算再乘以對(duì)應(yīng)的比例因子就得到了相應(yīng)的x,、y、z軸陀螺儀和加速度計(jì)以及內(nèi)部溫度信息,。
    在啟動(dòng)陀螺儀前,，首先要對(duì)陀螺儀的各個(gè)寄存器進(jìn)行正確的設(shè)置。由參考文獻(xiàn)[5],、[6]知,，設(shè)置GYRO_OFF和GYRO_SCALE寄存器對(duì)陀螺儀三軸輸出的靈敏度和偏差進(jìn)行用戶(hù)自校準(zhǔn)；設(shè)置SMPL_PRD寄存器,，選取合適的采樣頻率,；設(shè)置SENS/AVG寄存器，定義陀螺動(dòng)態(tài)量程以及對(duì)應(yīng)的數(shù)字濾波器,；設(shè)置MSC_CTRL寄存器,，定義自檢位以及數(shù)據(jù)更新中斷位；設(shè)置COMMAND寄存器,，定義數(shù)據(jù)校正模式,；設(shè)置ALM_CTRL寄存器，為數(shù)據(jù)報(bào)警,。
    陀螺儀自身帶有一個(gè)校準(zhǔn)控制指令,，在讀取數(shù)據(jù)之前需要用戶(hù)的自定義校準(zhǔn)，具體操作方法[6]是將MSC_
CTRL寄存器的第10位置1,，20 ms后，讀取狀態(tài)寄存器的值,，如果為0x0000,，表明自檢通過(guò)，否則表明陀螺儀存在如供電超限,、SPI通信錯(cuò)誤等問(wèn)題,，響應(yīng)的錯(cuò)誤位將在狀態(tài)寄存器中標(biāo)出。
    MEMS陀螺儀數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)AT89S52的程序設(shè)計(jì),。系統(tǒng)上電復(fù)位后,，首先完成單片機(jī)初始化，對(duì)陀螺儀各個(gè)自由度寄存器參數(shù)設(shè)置,，初始化LCD1602,，初始化SPI接口，陀螺儀自校準(zhǔn)過(guò)程,，定時(shí)器和相應(yīng)中斷打開(kāi),，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及更新，最后通過(guò)按鍵分別顯示X,、Y,、Z軸陀螺儀和加速度計(jì)以及內(nèi)部溫度信息,。系統(tǒng)軟件程序采用Keil μVision4軟件編寫(xiě)，Keil μVision4是基于80C51內(nèi)核開(kāi)發(fā)的,，可以用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程,，C編譯工具在產(chǎn)生代碼的準(zhǔn)確性和效率方面達(dá)到了較高的水平，并且可以附加靈活的控制選項(xiàng),，在開(kāi)發(fā)大型項(xiàng)目時(shí)非常實(shí)用[7],。其軟件程序流程圖如圖4所示。

3 測(cè)試結(jié)果
    完成硬件平臺(tái)搭建和軟件程序設(shè)計(jì)后,，室溫下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量,，通過(guò)改變溫度，分析角度的漂移,；在小型旋轉(zhuǎn)平面上進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試,，分析線性加速度的變化，針對(duì)過(guò)大的漂移率現(xiàn)象,，進(jìn)行自校準(zhǔn),，再測(cè)量。
    靜態(tài)測(cè)試,，在室溫下,，由液晶屏顯示輸出溫度為
+21.36 ℃，輸出角度有不超過(guò)0.02°/s的漂移率,。當(dāng)把陀螺儀溫度提高到50 ℃時(shí),，顯示溫度為+50.07 ℃，陀螺角度出現(xiàn)單向漂移現(xiàn)象,，輸出角度大約為0.72°/min漂移率,。經(jīng)過(guò)軟件自校準(zhǔn)后，角度漂移較穩(wěn)定變化,，單漂移現(xiàn)象消除,。
    動(dòng)態(tài)測(cè)試，對(duì)三軸加速度計(jì)的測(cè)試采用重力場(chǎng)1 gn試驗(yàn)方法[8],，安裝方法如圖5所示,，將加速度計(jì)通過(guò)卡具安裝在位置轉(zhuǎn)臺(tái)上，使加速度計(jì)的輸入軸在鉛垂平面內(nèi)相對(duì)重力加速度轉(zhuǎn)動(dòng),。

    使位置轉(zhuǎn)臺(tái)在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn),，由圖5可知，敏感軸上的加速度分量為[9]：
    a=gn·sinθ                 (1)
式中a為敏感軸上的加速度,；θ為加速度計(jì)敏感軸與水平方向間的夾角,。由式(1)可知，當(dāng)位置轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),，加速度計(jì)敏感軸上的重力加速度分量呈正弦關(guān)系變化,，加速度計(jì)的輸出也呈正弦關(guān)系變化,。在知道敏感軸與水平方向的夾角后，就可以計(jì)算出加速度計(jì)所感應(yīng)到的加速度大小[8],。
    測(cè)試采取十二位置測(cè)試方法,，即每間隔30°測(cè)量一次，首先需要確定機(jī)械零點(diǎn),，即試驗(yàn)前要確保初始狀態(tài)的敏感軸與水平方向間夾角為0°,，確定機(jī)械零位一般采用四點(diǎn)法[9]，測(cè)量當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭n（如長(zhǎng)春重力加速度為9.801 m/s2）,由公式(1)可以計(jì)算出十二位置點(diǎn)的重力加速度分量值,，選取部分測(cè)試點(diǎn)與本系統(tǒng)顯示的加速度值對(duì)比,，分析絕對(duì)誤差如表1所示。

    由表1知,，在常溫下測(cè)量的ADIS16355加速度計(jì)  系統(tǒng)顯示的值與理論值絕對(duì)誤差在轉(zhuǎn)臺(tái)限定的誤差范圍之內(nèi),，并且滿(mǎn)足ADIS16355線性加速度精度誤差為2.522 mg/LSB(約為0.024 7 m/s2)的要求，加上溫度補(bǔ)償可以進(jìn)一步提高測(cè)量精度,。
    本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要存在以下誤差：一方面是由陀螺儀自身出廠工藝缺陷,、結(jié)構(gòu)、工作模式等形成的各種漂移,；另一方面是由重力場(chǎng),、磁場(chǎng)、檢測(cè)電路干擾,、系統(tǒng)安裝不平衡引起的陀螺輸出偏差,。對(duì)于以上誤差中確定性誤差可以采用標(biāo)定測(cè)試、自檢校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償來(lái)減小,，對(duì)于不確定性誤差采用統(tǒng)計(jì)方法統(tǒng)計(jì)變化規(guī)律和有效系統(tǒng)辨識(shí)方法來(lái)處理,。
    ADIS16355 iSensor是一款完整的三軸陀螺儀與三軸加速計(jì)慣性檢測(cè)系統(tǒng)。本文以AT89S52單片機(jī)為核心控制器件,，只需要很少的外圍電路，采用KeilC51軟件編寫(xiě)程序,，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)并經(jīng)LCD顯示,，通過(guò)靜態(tài)溫度和角度測(cè)試及重力加速度試驗(yàn)測(cè)試表明，該系統(tǒng)具有較高的精度和實(shí)時(shí)性,。最后對(duì)系統(tǒng)存在的誤差進(jìn)行分析,。本文設(shè)計(jì)的MEMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有精度高、成本低,、操作簡(jiǎn)單,、使用方便，在陀螺儀的實(shí)際應(yīng)用中存在較大的市場(chǎng)價(jià)值,。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳國(guó)華,，王剛. 基于ADIS16255 MEMS芯片陀螺儀的應(yīng)用研究[J].中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào),，2008,16(4)：480-483.
[2] 李朝青．單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003．
[3] 8-bit microcontroller with 8 K Bytes in-system programmable  Flash.AT89S52 datasheet. Micro- controllers.2008,，[2011- 01-06].http://www.atmel. com/dyn/resources/prod_documents/doc1919.pdf.
[4] 陳寶毅.MEMS慣性器件的數(shù)據(jù)采集與誤差分析技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),，2009.
[5] Programmable low power gyroscope，ADISl6355 datasheet. ANALOG DEVICES.2007,，[2011-01-06].http://www.analog.com/pr/ADIS16355.
[6] 王犇,，袁濤，譚濤.基于MEMS陀螺儀的微慣性測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].微機(jī)電(MEMS)技術(shù)應(yīng)用,，2008,，24(9)：152-153.
[7] 陳小忠，黃寧,，趙小俠．單片機(jī)接口技術(shù)實(shí)用子程序[M]．北京：人民郵電出版社,，2005．
[8] 李振波，李疆,，劉北英.基于單片機(jī)的數(shù)字微加速度計(jì)靜態(tài)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),，2008，28(2)：88-90.
[9] 董景新．微慣性?xún)x表-微機(jī)械加速度計(jì)[M]．北京：清華大學(xué)出版社,，2003：227-265.