数字水平仪的设计与应用

数字水平仪的设计与应用

汤琳宝毛洋林潘志浩

上海大学通信与信息工程学院

摘要：高精度低功耗数字水平仪的设计原理，叙述了其关键芯片ADXL202的结构和原理以及使用方法，给出了详细的设计电路图和程序流程。

关键词：高精度 微功耗 ADXL202 数字水平仪

Tang Linbao Mao Yanglin Pan Zhihao

Institute of Communication and Information Engneering, Shanghai University

Abstract: The paper introduces the design theory of the high-precision and low-power digital gradienter. It provides the structure, theory ,and usage of the key chip ADXL202. And it also provides the detailed design circuit diagram and the corresponding program flow chart.

Key words: high-precision low-power ADXL202 digital gradienter

引言

在高楼、桥梁等建筑行业，对建筑物自身在水平面倾斜度的测量和处理，需要一个能连续工作几个月甚至一年以上的采样进度很高的数字水平仪系统，这就要求该系统必须具有高精度微功耗的功能。本文所介绍的就是能满足这一要求的数字水平仪系统，它在笔者的工作中已得到了充分的应用和试验。该系统采用ADXL202芯片产生与水平面倾斜的两个角度量，它是一个具有高精度、宽动态特性的加速度测量芯片。下面对该芯片的主要特点和用法进行简要介绍，随后介绍ADXL202与微功耗单片机C8051F020的接口电路与程序设计。

1 ADXL202简介

1．1特点及结构

ADXL202特点如下：

（1） ADXL202是集双轴加速度传感器于一体的单块集成电路

（2） 它既可测量动态加速度，又可测量静态加速度

（3） 具有脉宽占空比输出每轴的输出带宽可调

（4） 低功耗(<0.6mA)

（5） 比电解质、水银、热能斜度测量仪响应快

（6） 每根轴的带宽均可通过电容调整

（7） 60Hz带宽时的分辨率为5mg

（8） 直流工作电压为＋3V～＋5.25V

（9） 可承受1000g的剧烈冲击

（10）可应用于：斜度测量、惯性导航、地震监测装置、交通安全系统等 图1和图2分别为ADXL202的功能结构框图和引脚排列图。表1所列是其引

脚功能。

1．2工作原理

ADXL202是基于单块集成电路的完善的双轴加速度测量系统。它是一个以多晶硅为表面的微电机传感器和信号控制环路来执行操作的开环加速测量结构。对每根轴而言，输出环路将模拟信号转换为脉宽占空比的数字信号。这些数字信号直接与微处理器接口。ADXL202可测量正负加速度，其最大测量范围为±2g。ADXL202也可测量静态加速度，亦可用作斜度测量。

传感器采用在硅片上经表面微加工的多晶硅结构，用多晶硅的弹性元件支撑它并提供平衡加速度所需的阻力。结构偏转是通过由独立的固定极板和附在移动物体上的中央极板组成的可变电容来测量的。固定极板通过方波的每π个相位控制。加速度计受到加速度力后改变了可变电容的平衡，使输出方波的振幅与加速度成正比。而相位解调技术用来提取信息，判断加速方向。

解调器的输出通过32kΩ的固定电阻输出到脉宽占空比解调器。这时，允许用户改变滤波电容的大小来设置输出信号的带宽。这种滤波提高了测量的精度，并有效地防止频率混叠。

经过低通滤波后，模拟信号由DCM(脉宽占空调制器)转换为脉宽占空比信号。通过一个电阻RSET将T2设定在0.5ms～10ms范围内。在0g加速度时使输出占空比为50％。加速度可由一计数/计时器或低功耗的微控制器通过测量T1，T2来测得。

模拟输出信号可通过以下两种方法获得：一种从XFILT和YFILT管脚得到；一种是通过RC滤波器对脉冲信号滤波后得到的dc值推算。考虑到本设计系统后端处理的单片机中带有高精度的12位AD转换器，故决定采用模拟输出，在XFILT 和YFILT处取值。

1．3斜度测量仪应用

在实际数字水平仪的系统设计中，ADXL202被应用为斜度测量仪。

1．3．1 应用原理

斜度测量仪是ADXL202的一个典型应用。ADXL202以重力矢量作为基准以测定空间物体的方位。

如图2所示，ADXL202片载了双轴加速度传感器（Ax和Ay）。Ax和Ay性能完全一样，并且所在轴彼此垂直。下面先对单轴加速度传感器性能进行描述。

单轴模拟信号的输出值Ax（Ay）在XFILT（YFILT）管脚处取得，并且可以得到最多5KHz的输出信号带宽。

当传感轴与重力轴垂直（与水平面平行）时，加速度传感器测得重力加速度在传感轴上的分量为0g，此时模拟输出Ax（Ay）为Vdd/2。当传感轴在分别与重力矢量方向一致和相反时，传感器感应到的重力分量分别为1g和－1g，同时，模拟输出为（Vdd/2 ＋60mV×Vdd）和 （Vdd/2 – 60mV×Vdd）。信号输出随感应到的重力矢量分量逞线性变化。

在实际设计中，Vdd选用＋5V，使得0g时的模拟输出的电平偏置为+2.5V，线性增长的斜率为300mV/g。

0g Offset = Vdd/2 2.5V at +5V,Vdd [1]

Sensititity = ( 60mV × Vdd )/g 300mV/g at +5V,Vdd

数字水平仪的输出是两个角度量，如图3所示，分别为俯仰角（pitch）和旋转角（roll）。这两个角度和Ax、Ay的输出关系算法如下：

pitch = ARCSIN ( ( Ax – 2.5V ）/ 0.3V ）

roll = ARCSIN ( ( Ay – 2.5V ）/ 0.3V ) / COS（ pitch ）