中心議題:

• 基於AMR磁阻傳感器和加速度傳感器的電子羅盤
• 學習ADXL202工作原理

解決方案:

• 分析軟件濾波

本文介紹的基於AMR磁阻傳感器和加速度傳感器ADXL202的電子羅盤
，是捷聯式慣性導航係統中的一種。在電子羅盤係統中，單片機VRS51L3074完wan成cheng對dui加jia速su度du傳chuan感gan器qi輸shu出chu信xin號hao脈mai寬kuan和he周zhou期qi的de計ji數shu
，獲huo得de車che輛liang瞬shun時shi加jia速su度du值zhi

，然ran後hou利li用yong三san角jiao函han數shu關guan係xi計ji算suan出chu當dang前qian位wei置zhi相xiang對dui於yu已yi知zhi參can考kao位wei置zhi之zhi間jian的de橫heng滾gun和he俯fu仰yang角jiao度du，進jin行xing姿zi態tai解jie算suan，得de到dao車che輛liang的de前qian進jin方fang向xiang和he方fang位wei角jiao。但是汽車電磁環境複雜
，特別是汽車的震動和瞬時功率變化會對ADXL202輸出的占空比信號產生尖峰脈衝幹擾，嚴重影響計數的精度。因此
，抑製脈衝幹擾在提高計數精度
、增強係統性能方麵顯得尤為重要。

1 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製器組成，具有數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個相互正交的加速度傳感器。ADXL202相對於地平麵方向變化時，X、Y方fang向xiang對dui應ying不bu同tong的de輸shu出chu，從cong而er可ke以yi測ce量liang動dong態tai變bian化hua的de加jia速su度du和he恒heng定ding的de加jia速su度du。傳chuan感gan器qi的de後hou級ji連lian相xiang位wei檢jian波bo器qi
，主zhu要yao是shi用yong來lai修xiu正zheng信xin號hao，並bing對dui信xin號hao的de方fang向xiang作zuo出chu判pan斷duan。檢jian波bo器qi輸shu出chu的de信xin號hao通tong過guo1個32 kΩ的電阻來驅動占空比調製器，設計時可以通過在XFILT和YFILT引腳外接電容CX和CY來改變帶寬。同時
，外接電容對於濾除噪聲和抑製零點漂移都有一定的效果。

信號通過低通濾波器之後，占空比調製器把信號轉換為數字信號輸出。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數器可以計算出占空比。加速度的計算可以通過公式(1)得到。

當加速度為0g時
，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％。在應用中0g時的失調和係統誤差影響實際輸出值。則根據測得的加速度值即可求得X和Y軸的傾角：

當加速度計被定向
，那麼它的X和Y軸就和地球表麵平行可用來作為具有翻滾和傾斜兩個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個敏感軸沿載體的3個坐標軸安裝
，分別測量地磁場磁感應強度H在載體坐標係3個坐標上的投影分量(HX

，HY，HZ)
，然後利用俯仰角和橫滾角進行姿態解算就可以得到電子羅盤的方位角。

2 ADXL202的抗幹擾設計思想

根據ADXL202使用手冊知
，傳感器與微處理器共用電源時會引起幹擾
，因此在電路設計時采用了抑製幹擾的解決方案。設計時采用1個0.1 μF的電容和1個小於或等於100 Ω的(de)電(dian)阻(zu)來(lai)抑(yi)製(zhi)幹(gan)擾(rao)。實(shi)驗(yan)測(ce)試(shi)顯(xian)示(shi)，仍(reng)然(ran)存(cun)在(zai)電(dian)路(lu)其(qi)他(ta)部(bu)分(fen)電(dian)源(yuan)和(he)傳(chuan)感(gan)器(qi)電(dian)源(yuan)互(hu)相(xiang)影(ying)響(xiang)的(de)情(qing)況(kuang)，幹(gan)擾(rao)抑(yi)製(zhi)效(xiao)果(guo)並(bing)不(bu)理(li)想(xiang)。經(jing)過(guo)反(fan)複(fu)試(shi)驗(yan)，傳(chuan)感(gan)器(qi)采(cai)用(yong)獨(du)立(li)的(de)電(dian)源(yuan)供(gong)電(dian)，並(bing)且(qie)在(zai)布(bu)線(xian)時(shi)把(ba)器(qi)件(jian)和(he)調(tiao)理(li)信(xin)號(hao)的(de)電(dian)阻(zu)
、電容放在1塊(kuai)單(dan)獨(du)的(de)板(ban)上(shang)或(huo)用(yong)粗(cu)地(di)線(xian)將(jiang)其(qi)圍(wei)在(zai)線(xian)路(lu)板(ban)的(de)某(mou)一(yi)區(qu)域(yu)

，在(zai)實(shi)驗(yan)室(shi)條(tiao)件(jian)下(xia)得(de)到(dao)較(jiao)好(hao)的(de)幹(gan)擾(rao)抑(yi)製(zhi)效(xiao)果(guo)。但(dan)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)
，汽(qi)車(che)的(de)震(zhen)動(dong)和(he)瞬(shun)時(shi)功(gong)率(lv)變(bian)化(hua)對(dui)ADXL 202E輸出的占空比信號產生尖峰脈衝幹擾(脈寬約1～2 ms)並(bing)不(bu)能(neng)消(xiao)除(chu)，這(zhe)就(jiu)需(xu)要(yao)對(dui)其(qi)更(geng)多(duo)的(de)處(chu)理(li)。抑(yi)製(zhi)和(he)消(xiao)除(chu)尖(jian)峰(feng)脈(mai)衝(chong)幹(gan)擾(rao)影(ying)響(xiang)的(de)措(cuo)施(shi)較(jiao)多(duo)

，常(chang)見(jian)的(de)有(you)硬(ying)件(jian)方(fang)法(fa)和(he)軟(ruan)件(jian)方(fang)法(fa)，或(huo)兩(liang)者(zhe)相(xiang)結(jie)合(he)。考(kao)慮(lv)到(dao)電(dian)子(zi)羅(luo)盤(pan)整(zheng)體(ti)體(ti)積(ji)和(he)磁(ci)阻(zu)傳(chuan)感(gan)器(qi)信(xin)號(hao)對(dui)幹(gan)擾(rao)較(jiao)為(wei)敏(min)感(gan)，如(ru)果(guo)采(cai)用(yong)高(gao)效(xiao)的(de)硬(ying)件(jian)濾(lv)波(bo)，係(xi)統(tong)電(dian)路(lu)將(jiang)變(bian)得(de)非(fei)常(chang)龐(pang)大(da)；shiyongjianyideyingjiandianlu
，lvboxiaoguoyoubuchedi。shijishang

，haikeyijiezhuyuweichuliqijinxingruanjianlvboxiaochujianfengmaichongganrao。ruanjianlvbosuanfadecaiyong
，wuyihuizaijianhuadianlujiegoudetongshishixitongdeyingjianziyuandedaogengjiachongfendeliyong，bingdadaojiangdichanpinshejichengbendeyaoqiu。

ADXL202E輸出的信號占空比調節(DCM)周期由外接電阻決定，一般低於1 kHz，因此計數輸入端高低電平持續時間長達幾ms甚至幾十ms，可見傳感器輸出的正常計數信號高、低電平變化較慢；而控製器脈寬計數時間小於1μs，幹擾尖峰脈衝是突變的，所以能把幹擾從正常計數中辨別出來。因此，使用軟件濾波來消除尖峰脈衝幹擾是可行的。

VRS51L3074單片機是由美國Ramtron(瑞創)公司推出的8位單片機家族VRS51L3XXX係列的成員。VRSS1L3074提供了2個與定時器0和1關連的獨立的脈寬計數器(PWC)模塊，用戶可通過對PWC模塊和定時器的配置，靈活地控製定時器啟動或停止計數，從而方便地實現對ADXL202E輸出的脈寬和周期的計數。

從單片機計數輸入端
，觀察信號波形。為便於分析，在高、低電平段設置了幾個幹擾尖峰脈衝
，分別標示為Section A和Section C
，占空比信號下降沿、上升沿分別標示為Section B和Section D。單片機按計數時鍾周期性采樣，采樣值中“1”表示采到的是高電平，“0”表示低電平。I／O口采樣占空比信號輸出端口中狀態
，利用1個字節型變量R來動態存儲采樣值。控製器每采樣1次
，變量R中數據向左移1個二進製位
，R原最高位電平狀態被移除，而當前時刻新的采樣狀態保存到R的最低位，變量R被更新了
，狀態存儲器R中保存著最近8個采樣周期的采樣值。

在圖1中
，從正常下降沿過程(Section B)，可以看到變量R中的數據經曆了從各位全為1，到1、0共存，再變化到全為0的過程
；然而
，在高電平段的幹擾部分(SectionA)，變量R經曆了從全為1，到1、0混合，再回到全為1的過程。類似地，正常上升沿(Section D)變量R經曆了各位全為0，到0、1共存
，再變化到全為1的狀態變化過程
；在低電平段的幹擾部分(Section C)，變量R經曆了采樣狀態從全為0
，到0
、1混合，再回到全為0的過程。通過判斷此4種情況下變量R中數據的不同變化過程
，可以達到從正常變化中辨別出幹擾的目的。這就是本設計所采用的軟件濾波抗幹擾方法的基本思想。
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3 軟件濾波算法的實現

3.1 軟件濾波分析

根據軟件濾波設計思想，濾波子程序由主程序在信號狀態發生變化，進入中斷時調用
，圖2給出了濾波程序流程。對照圖1中4種Section來分析流程圖。當有邊沿或幹擾信號(信號周期大於計數時鍾周期)到來時，VRS51L3074單片機的PWC計數停止條件滿足，係統進入中斷服務子程序。在中斷子程序中，首先重置脈寬計數條件
，然後對當前狀態進行采樣
，采樣1次
，狀態寄存器左移1位
，采樣到高電平記為“1”
，采樣到低電平記為“0”。如正常下降沿Section B，前麵處於高電平段，初始狀態變量Flag全為1，當出現低電平
，控製器進人中斷，緊接著進行16次采樣。前已提及係統處理的尖峰幹擾約1～2 ms，每個采樣周期約為0.4 ms
，其尖峰幹擾脈寬達不到8個采樣周期。係統設計時采樣16次，隻取最後8次的存儲狀態與原狀態進行比較
，如果最後采樣的狀態全為“0”則與原狀態相反，就可判斷出這是1個正常下降沿。如果是幹擾信號引起計數中斷
，前麵8個采樣狀態不全為“1”
，後麵8個狀態全為“1”，最後采樣的狀態與原狀態相同，就可判斷出這是1個幹擾信號
，如Section A。在信號狀態采樣期間，計數條件滿足PWC繼續計數，直到真正的下降沿到來
，計數停止並保存
，計數寄存器還原為初始值
，這樣幹擾信號即被濾除。類似地
，正常上升沿Section D

，存儲器原狀態為“0”，上升沿來臨後存儲器狀態為“1”，與原狀態相反
，PWC計ji數shu停ting止zhi並bing保bao存cun


，計ji數shu寄ji存cun器qi還hai原yuan為wei初chu始shi值zhi，退tui出chu中zhong斷duan子zi程cheng序xu。有you幹gan擾rao信xin號hao出chu現xian後hou采cai樣yang狀zhuang態tai與yu原yuan狀zhuang態tai相xiang同tong，幹gan擾rao尖jian峰feng脈mai衝chong可ke被bei濾lv除chu。如ru果guo要yao使shi脈mai寬kuan計ji數shu更geng精jing確que，可ke判pan斷duan前qian8個采樣周期中係統不正常計數的周期，然後與最終計數周期相加即可。此時，程序流程體現出軟件濾波功能。 3.2 源程序代碼分析

對應程序流程圖，給出了單片機通過P4.2口對ADXL202某一輸出通道采樣濾波並完成脈寬計數的源程序。源程序如下： 源程序中定義了3個變量，其中變量Flag存儲原狀態值
；FlagReg存儲當前采樣值；變量i記錄采樣次數；改變idezhikekongzhilvchujianfengmaichongdedengdaishijian。chengxutongguoduiyuanzhuangtaiyudangqiancaiyangzhuangtaiyihuozhihoudezhilaipanduandangqianxinhaoshiyouxiaoxinhaohaishiganraoxinhao，congerduishangshengyan、下降沿的中間過度或尖峰脈衝幹擾進行相應處理，退出中斷子程序。實現了對正常信號計數、濾掉尖峰脈衝幹擾的目的。
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4 測試結果

由於條件限製以及幹擾的隨機性，對基於ADXL202構gou成cheng的de車che載zai屯tun子zi羅luo盤pan進jin行xing的de測ce試shi，無wu法fa對dui所suo測ce量liang的de角jiao度du以yi及ji方fang向xiang角jiao進jin行xing精jing確que標biao定ding。實shi驗yan時shi
，通tong過guo相xiang同tong條tiao件jian下xia同tong一yi物wu理li量liang多duo次ci測ce量liang值zhi的de標biao準zhun差cha來lai對dui相xiang應ying算suan法fa進jin行xing評ping估gu。測ce試shi結jie果guo如ru表biao1所列。 從實驗測試的標準差可以看出
，經過軟件濾波後σ小了很多，這種軟件濾波算法對濾除尖峰脈衝幹擾是非常有效的。

結 語

本(ben)文(wen)提(ti)出(chu)的(de)軟(ruan)件(jian)濾(lv)波(bo)算(suan)法(fa)速(su)度(du)快(kuai)，代(dai)碼(ma)效(xiao)率(lv)高(gao)
，濾(lv)波(bo)效(xiao)果(guo)理(li)想(xiang)，是(shi)一(yi)種(zhong)實(shi)用(yong)的(de)數(shu)字(zi)濾(lv)波(bo)設(she)計(ji)方(fang)法(fa)
，體(ti)現(xian)了(le)將(jiang)算(suan)法(fa)與(yu)具(ju)體(ti)硬(ying)件(jian)相(xiang)結(jie)合(he)的(de)思(si)想(xiang)。另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)

，當(dang)脈(mai)衝(chong)幹(gan)擾(rao)較(jiao)寬(kuan)時(shi)可(ke)將(jiang)存(cun)儲(chu)器(qi)變(bian)量(liang)適(shi)當(dang)擴(kuo)展(zhan)成(cheng)多(duo)字(zi)節(jie)變(bian)量(liang)。這(zhe)個(ge)算(suan)法(fa)還(hai)可(ke)以(yi)與(yu)FPGA結合
，用於其他計數精度要求較高
、易受尖峰脈衝幹擾的應用結合。