ADISl6355 MEMS的慣性測量組件系統設計

　　首先簡介ADISl6355AMLZ型MEMS的原理、構成及應用。在此基礎上，搭建一個硬件平臺，采用內置USB控制器的AT89C513lA型單片機作為主控制器，控制ADISl6355AMLZ并采集、存儲數據。并對慣性測量組件系統進行數據采集設計。經測試，該系統達到了預期設計要求。

　　運動目標跟蹤測量、視頻監控等各種實時測量系統在工業、生活中應用日益廣泛。然而在這些系統中存在一個共同問題；如何保持攝像機的穩定，處理在跟蹤過程中攝像機出現的抖動。傳統的方法是采用預先建立的數學模型在后期進行算法處理來糾正攝像機出現的抖動誤差，然而這種情況下要求建立的數學模型相當可靠，而實際處理產生的誤差也較大，雖然個別系統也采用慣性測量組件，但大都功能單一、精度較低。這里主要針對ADI公司生產的ADISl6355AMLZ在攝像穩定中的作用，設計一個高精度的慣性測量組件系統。將其應用在需要攝像穩定的跟蹤、監控攝像機上，可以準確記錄出現的抖動誤差，有效提高測量精確度。

　　1 ADISl6355AMLZ概述

　　1．1 ADISl6355AMLZ的基本原理

　　ADISl6355AMLZ是ADI公司生產的一款數字輸出、全溫校準的高性能、微慣性測量系統。其輸出為SPI串行接口，提供3個角速率信號、3個線加速度計信號、溫度傳感器信號、電源電壓信號和1個輔助的模擬輸入。ADISl6355AMLZ是一種微機械陀螺儀，屬于振動陀螺儀VG(Vibrat- ory Gymscope)。振動陀螺儀的基本工作原理都是產生并檢測哥氏加速度，即利用哥氏效應使陀螺的2個振動模態間產生能量轉換。哥氏加速度在旋轉坐標系中表征加速度，與旋轉坐標系的旋轉速率成比例。

　　1．2 ADISl6355AMLZ的基本構成

　　ADISl6355AMLZ是ADI公司MEMS器件ADISl635X系列的角速度、加速度測量傳感器，其核心傳感器部件均采用iMEMs技術，屬于利用哥氏效應的振動陀螺儀。輸出零偏穩定性為O．015(°)／s，角度隨機游走為4．2(°)／s，而其溫度系數則為O．008(°)／s／℃，因此適用于角度精度要求較高的場合。ADISl6355AMLZ提供一個串行外部接口SPI，可對器件進行配置，獲得運行狀態與測量結果等；對外部供電要求不高，內部自帶高精度穩壓電路，外圍電路較少。

　　2 慣性測量組件系統設計

　　這里主要利用ADISl6355AMLZ在攝像穩定方面的重要作用，可有效校正攝像機在跟蹤運動目標過程中由于抖動而產生的誤差，并能較好解決在跟蹤過程中運動目標在攝像機視場中丟失的問題，與傳統的根據已建立的數學模型來處理目標丟失現象相比，準確度較高。

　　2．1系統硬件設計

　　該系統硬件電路主要包括AT89C513lA、K9F1G08UOM存儲器、ADISl6355AMLZ等。圖1為系統硬件框圖。

　　MCU控制器作為主控制器可直接控制慣性測量組件的工作狀態、數據采集，并將慣性測量組件采集的數據轉存到存儲器件內，或通過USB接口直接傳入PC機處理。AT89C513lA是Atmel公司生產的基于80C52內核的高性能8位單片CPU微處理器器件，片上集全速USB控制器和SPI接口，可方便地與陀螺儀器件連接，并通過USB接口將數據高速采集到PC機。K9F1G08UOM是三星公司的NAND Flash存儲器件，其容量為128 MB，在慣性測量組件高速采集的情況下可存儲至少4 h的連續采集數據量。其內部存儲列為1 024塊。每塊分為64頁，1頁包含2 112字節，命令、地址、數據信息通過8條I／O線時分復用。可執行2 K字節的頁編程操作和頁讀操作。

　　在該系統中，ADSl6355AMLZ作為從設備通過SPI接口與外界通信，輸出測得的三軸角速度、三軸加速度、三軸溫度、電壓值，外部CPU也可通過該接口設置ADISl6355AMLZ內部寄存器，從而增強使用的靈活性。圖2為慣性測量組件的讀操作SPI時序圖。

　　從圖2中可看出，ADISl6355AMLZ的1次SPI傳輸包括16位數據。其中第l位是此次SPI傳輸的讀寫狀態標識，第2位為O，接著的6特位是即將讀或寫的寄存器地址，最后的8位在寫操作時是將要寫入寄存器的數據，如果是讀操作則無效。完成ADISl6355AMLZ的1個讀操作需2次16位的 SPI通信，其中第1次是寫入將要讀取的寄存器地址，讀寄存器的內容將在第2次SPI通信時出現在ADISl6355AMLZ的DOUT信號線上，輸入 SPI的主設備。

　　AT89C5131A內置包含SPI接口，可方便地與ADISl6355AMLZ連接，通過SPI接口配置相應的寄存器即可控制 ADISl6355AMLZ。由于該單片機為8位。其內部寄存器也為8位。因此需對自身的SPI寄存器進行2次寫操作，才能完成 ADISl6355AMLZ 1次SPI數據傳輸。該單片機內含1個USB控制器，可向PC機高速傳輸數據。

　　2．2慣性測量組件系統硬件電路設計

　　該系統的硬件電路部分主要由內置USB控制器的AT89C513l、NAND Flash器件K9F1G08UOM電路以及ADISl6355AMLZ組成，硬件接口如圖3所示。必須寫入相應的命令才能順利執行 ADISl6355AMLZ和NAND Flash的各種操作，南于數據線與地址線復用為8根線，因此地址、命令以及數據的輸入／輸出需要通過命令鎖存信號(CLE)和地址鎖存信號(ALE)共同控制從分時復用。

　　圖3中，I／O[7：0]：數據輸入／輸出端口，該信號與AT89C513l的AD[7：0]連接。寫使能信號。在其上升沿時，命令、地址和數據鎖存到相應的寄存器中。該信號與AT89C513l的信號連接。：讀使能信號。在其下降沿時，輸出數據到I／O總線，同時，它還可以對內部數據地址進行累加。該信號與AT89C513l的信號連接。CLE：命令鎖存使能信號。當CLE為高電平時，命令在上升沿通過I／O端口送入命令寄存器。該信號與 AT89C5131的P2．0引腳連接。ALE：地址鎖存使能信號。當ALE為高電平時，地址在上升沿送入地址寄存器。該信號與AT89C513l的 P2．1引腳連接。：片選信號。用于控制設備的選擇，當設備忙時為高電平而被忽略。當處于編程和擦除操作時設備不能回到備用狀態。該信號與 AT89C513l的P2．2引腳連接。：準備好／忙輸出。當它為低電平時，表示編程、擦除和隨機讀操作正在進行，在操作完成后返回高電平；當該器件沒被選中或輸出禁止時，其為高電平。該信號與AT89C513l的P2．3引腳連接。ADISl6355-AMLZ外部主要通過SPI接口與 AT89C5131的SPI接口對應相連。

　3 系統數據采集設計

　　USB總線具有速度快、連接簡單快捷、無需外接電源、支持多設備連接等優點，現已廣泛應用于數據采集系統。這里選用的AT89C513lA單片機內含 USB控制器，因此PC機通過USB口實時采集數據或從Flash存儲器上統一采集數據。

　　Microsoft公司未提供適合于本系統USB接口的驅動程序，因此需自行開發。該程序的功能是：當USB設備連接到主機上時，主機可以發現新設備，然后建立連接并完成數據傳輸任務，也就是能夠讓Windows正常檢測和識別USB設備。采用Driver-Studio中的DriverWorks作為開發工具，開發WDM型的USB驅動程序。圖4為系統數據采集流程。

　　4 結束語

　　這里所設計的慣性測量組件系統主要采用基于哥氏效應的ADISl6355 MEMS器件，測量運動目標的三軸角速度、加速度，采用內含USB控制器的AT89C5131A微控器進行控制，只需很少的外圍器件，即可獲得性能優異、應用靈活方便的慣性測量組件系統。本設計既可將數據實時采集送回PC機處理，也可先將數據存儲在Flash上，然后統一采集到PC機上處理，充分體現了系統應用的靈活性，并且稍加修改就可應用在慣性測量組件的其他應用領域中，具有較好的推廣前景。