引言
傳統(tǒng)的姿態(tài)測量因為采用高精度陀螺儀和加速度計等姿態(tài)傳感器，體積龐大并且價格昂貴。當前MEMS產(chǎn)品因其體積小、價格低、功耗低，被稱為是傳統(tǒng)的慣性測量組合的一次重大改革，越來越多地應(yīng)用于姿態(tài)測量應(yīng)用中。并且，隨著MEMS技術(shù)的迅速發(fā)展以及向各個學(xué)科領(lǐng)域的滲透，它的各方面性能如精度、魯棒性、動態(tài)響應(yīng)等都得到了巨大的提高。
隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，以應(yīng)用為中心的嵌入式系統(tǒng)由于體積小、功耗低、可靠性高、可裁減性好、軟硬件集成度高，已經(jīng)滲入到我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€方面，在各行各業(yè)中都得到了應(yīng)用。而嵌入式與MEMS的結(jié)合使姿態(tài)測量系統(tǒng)滿足了低成本、低功耗、微型化的應(yīng)用需求，給消費電子領(lǐng)域帶來了巨大進步，如智能手機中的重力感應(yīng)與指南針，同時給航空、工業(yè)、汽車、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)控、通信等領(lǐng)域帶來了十分廣闊的應(yīng)用前景。
本文采用三軸MEMS陀螺儀、三軸MEMS加速度計及三軸MEMS電子羅盤與Freescale單片機MC9S08QE8組成一個嵌入式姿態(tài)測量系統(tǒng)。陀螺儀由于動態(tài)性能好，用于獲取實時姿態(tài)信息。但陀螺儀因為會產(chǎn)生偏移，而加速度計與電子羅盤因其靜態(tài)性能比較優(yōu)越，所以用來對陀螺儀姿態(tài)計算過程中的誤差進行修正。
1 系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)主要由單軸陀螺儀LY530AL、雙軸陀螺儀LPR530AL、三軸MEMS加速度計ADXL345、三軸MEMS電子羅盤HMC5843及單片機MC9S08QE8組成。其中X、Y方向的雙軸陀螺儀與Z軸方向的單軸陀螺儀組合成三軸陀螺儀，它們的信號由單片機MC9S08QE8的ADC模塊進行采集，而加速度信號和電子羅盤信號則通過I2C總線傳送到單片機。這9路信號在單片機中首先經(jīng)過前期的處理，而后由單片機中的姿態(tài)計算算法程序獲取3個姿態(tài)角信息，這3個信息通過單片機MC9S08QE8的串口模塊傳送到上位機進行演示，嵌入式姿態(tài)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
1.1 三軸MEMS陀螺儀
系統(tǒng)中三軸MEMS陀螺儀由ST公司的單軸Z方向的陀螺儀LY530AL和雙軸X、Y方向的陀螺儀LPR530AL組合而成。它們采用電容式微機械陀螺儀原理，由于ST公司選用了音叉方法，并且振動驅(qū)動電路采用了雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，顯著地提高了陀螺儀的穩(wěn)定性和分辨率。測量范圍達±300°/s，擁有自測功能，輸出端集成了低通濾波電路，工作電壓為1.8～3.6 V，待機模式電流小于1μA。
1.2 三軸MEMS加速度計
系統(tǒng)中三軸MEMS加速度計選用ADI公司的ADXL345。ADXL345是基于iMEMS技術(shù)的三軸、數(shù)字輸出加速度傳感器，具有±2g、±4g、±8g、±16g可變的測量范圍。芯片內(nèi)帶的32級FIFO存儲可以緩存數(shù)據(jù)，從而減輕處理器的負擔并降低了系統(tǒng)功耗。ADXL345具有較高的分辨率與靈敏度、3 mm×5 mm×1 mm超小封裝、40～145μA超低功耗及標準的I2C或SPI數(shù)字接口，非常適合于移動設(shè)備的應(yīng)用。
1.3 三軸MEMS電子羅盤
系統(tǒng)中的三軸MEMS電子羅盤采用霍尼韋爾公司的HMC5843，它采用霍尼韋爾公司的各向異性磁阻(AMR)技術(shù)，由霍尼韋爾高精度的HMC11 8X系列磁阻傳感器組成，在低強度磁場傳感器中具有較高的靈敏度和可靠性。2.16～3.3 V的低電壓供電、0.66 mA電流功耗，以及3mm×3 mm×0.9 mm的小體積，在消費電子設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)中擁有明顯的優(yōu)越性。
1.4 單片機MC9S08QE8
系統(tǒng)中單片機采用Freescale公司的MC9S08QE8。MC9S08QE8采用了眾多新技術(shù)，如電池壽命、延長技術(shù)、增強型的低功耗性能以及超低電壓下的高級運行能力等。同時具有極高的集成度，集成了很多系統(tǒng)級功能，如12位高精度A/D轉(zhuǎn)換器、定時器、SPI、I2C、SCI等常用模塊，非常適合低功耗、低成本的應(yīng)用。
2 應(yīng)用電路設(shè)計
2.1 電源模塊
本系統(tǒng)的電源穩(wěn)壓電路為整個系統(tǒng)所有設(shè)備供電，考慮到系統(tǒng)中涉及數(shù)字型和模擬型傳感器，采用了低噪音、低漂移、供電電壓為3.3 V的線性穩(wěn)壓芯片MIC5205。電源穩(wěn)壓電路原理圖如圖2所示。其中，C1是連接芯片內(nèi)部電壓參考源與GND的電容，用來減少輸出電壓的噪音，而C2作為輸出與GND的電容，用來防止電路產(chǎn)生振蕩。C2的電容大小與C1有關(guān)，但當C1為470 nF時，C2一般為2.2μF。D1為電源的指示燈。
