在(zai)現(xian)代(dai)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)中(zhong)
，角(jiao)度(du)測(ce)量(liang)裝(zhuang)置(zhi)是(shi)非(fei)常(chang)關(guan)鍵(jian)的(de)需(xu)要(yao)高(gao)精(jing)度(du)的(de)部(bu)件(jian)，其(qi)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)著(zhe)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)性(xing)能(neng)和(he)精(jing)度(du)。例(li)如(ru)施(shi)工(gong)升(sheng)降(jiang)機(ji)上(shang)有(you)角(jiao)度(du)測(ce)控(kong)機(ji)構(gou)來(lai)控(kong)製(zhi)起(qi)降(jiang);火huo箭jian炮pao瞄miao準zhun係xi統tong中zhong都dou有you大da量liang的de角jiao度du傳chuan感gan器qi，實shi時shi檢jian測ce炮pao塔ta偏pian轉zhuan角jiao度du，以yi便bian對dui火huo箭jian炮pao瞄miao準zhun進jin行xing調tiao整zheng。目mu前qian已yi有you的de利li用yong的de加jia速su度du傳chuan感gan器qi實shi現xian高gao精jing度du角jiao度du測ce量liang的de研yan究jiu，主zhu要yao側ce重zhong於yu單dan軸zhou的de角jiao度du測ce量liang。本ben文wen將jiang重zhong點dian討tao論lun利li用yong雙shuang軸zhou加jia速su傳chuan感gan器qiADXL202實現高精度角度測量的軟硬件方法。

1 角度測量儀係統硬件方案設計

本角度測量儀采用STM32F107作為數據處理的核心芯片。這是一款低功耗、高速度的32位處理器，擁有Cortex-M3內核。角度測量模塊使用的是高精度、低功耗的雙軸加速度傳感器ADXL202，能將加速度信號轉換成數字方波信號輸出，可直接與STM32F107連接，通過一定的算法即可計算出當前的傾斜角度。顯示模塊使用的是12864ZW型128×64的點陣液晶顯示器，圖1所示為角度測量儀硬件結構框圖。

2 角度測量模塊

角度測量模塊使用的是ADI公司出品的低成本、低功耗、高精度的雙軸加速度傳感器ADXL202
，其測量範圍為-2g～+2g，既能測量動態加速度，又能測量靜態加速度。它的工作電壓是3.0～5.25 V，工作電流低於0.6 mA，最高主頻可達到70 MHz，所以從功耗、靈敏度和精確度考慮
，選擇ADXL202作為角度測量模塊的核心芯片。圖2是它的功能結構框圖。

由圖2可知，ADXL202是基於單片集成電路的完善的雙軸加速度測量係統，對X、Y軸而言，輸出環路將加速度信號轉換為脈寬占空比的數字信號輸出
，這些數字信號可直接傳輸給STM32F107，無需A/D轉換或其他附加的其他電路。

ADXL202由振蕩器

、X和Y軸傳感器、相位解調器和脈寬占空比解調器組成，它的功能實現過程是，X、Y軸(zhou)傳(chuan)感(gan)器(qi)受(shou)到(dao)加(jia)速(su)度(du)力(li)後(hou)輸(shu)出(chu)振(zhen)幅(fu)變(bian)化(hua)的(de)方(fang)波(bo)
，輸(shu)出(chu)方(fang)波(bo)的(de)振(zhen)幅(fu)與(yu)加(jia)速(su)度(du)成(cheng)正(zheng)比(bi)。相(xiang)位(wei)解(jie)調(tiao)器(qi)能(neng)夠(gou)對(dui)輸(shu)出(chu)的(de)方(fang)波(bo)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)修(xiu)正(zheng)並(bing)提(ti)取(qu)信(xin)息(xi)，然(ran)後(hou)判(pan)斷(duan)加(jia)速(su)度(du)方(fang)向(xiang)。相(xiang)位(wei)解(jie)調(tiao)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)會(hui)經(jing)過(guo)一(yi)個(ge)低(di)通(tong)濾(lv)波(bo)電(dian)路(lu)，可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)改(gai)變(bian)濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)的(de)大(da)小(xiao)來(lai)設(she)置(zhi)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)的(de)帶(dai)寬(kuan)。經(jing)過(guo)低(di)通(tong)濾(lv)波(bo)的(de)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)進(jin)入(ru)DCM
，被轉換為脈寬占空比信號輸出。
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2.1 角度測量模塊硬件電路設計

為保證ADXL202高精度穩定的工作
，需要根據芯片技術文檔和實際使用情況
，來配置信號周期
、濾波電容(決定信號的帶寬)。

ADXL202的輸出信號是脈寬占空比調製信號，占空比T1/T2與被測加速度成正比。0g時
，其輸出為50%占空比，靈敏度為每g所引起的脈寬占空比變化12.5%。查閱芯片的技術文檔
，可以通過電阻RSET來設定DCM的周期：

T2=RSET/125 MΩ (1)

在X

、Y方向上的加速度分量值可由下式計算：

A(g)=(T1/T2-0.5)/12.5% (2)

表1是芯片的技術文檔提供的RSET和T2配置表。我們選擇125 kΩ的RSET，將周期T2設定為1 ms。

ADXL202通過XFILT、YFILT外接電容CX

、CY來設定ADXL202的帶寬
，這個帶寬決定了它的測量精度，同時電容CX、CY可以去混疊和濾波。為了使脈寬占空比的誤差最小，模擬帶寬應比脈寬占空比的頻率低1/10。對技術文檔提供的表2進行分析，並考慮設定T2為1 ms，脈衝占空比頻率為1 kHz，為滿足實際需要和DCM誤差最小的要求，選擇0.05μF的濾波電容，此時模擬帶寬為100 Hz。

引腳連接的規範：13、14是兩個電壓輸入引腳VDD，直接與5 V電源連接，同時連接退耦電容CDC，推薦使用0.1μF;4、7是兩個接地引腳COM
，直接接地;2腳VTP保持開路，不與其他任何引腳相連;3腳ST是自檢輸入端，當接VDD時能檢查加速度計的功能


，平時該引腳開路

，也可與COM相連。引腳配置如圖3所示。

根據芯片的引腳配置圖和以上的各類配置，可以設計角度檢測模塊的硬件電路
，其電路原理如圖4所示，其脈衝輸出端直接與STM32F107的I/O口相連。

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2.2 ADXL202測角度工作原理

ADXL202水平放置時的傾角如圖5所示。

ADXL202水平放置時
，沿X軸和Y軸方向的加速度分量大小與重力的關係為：

AX=g·sin(α)， AY=g·sin(β) (3)

式中，AX、AY分別代表加速度計的兩個軸上的分量輸出，g是以重力作為參考的加速度值
，而α
、β是傾斜角度。由反正弦函數即可以得到傾斜角度為：

α=sin-1(AX/g)，β=sin-1(AY/g) (4)

ADXL202垂直放置時的傾角如圖6所示。

加速度傳感器在豎直初始位置時，沿X軸和Y軸方向的加速度分量大小與重力的關係為：

γ=sin-1(AX/g)， δ=sin-1(AY/g) (5)

此角度測量儀的工作原理是：ADXL202將加速度信號轉換為脈寬占空比輸出，STM32F107接收這個數字脈衝信號，利用STM32F107的輸入捕獲功能來測量脈衝信號的高電平脈寬。然後，計算出高電平脈寬的準確時間T1，由式(2)得到X、Y方向上的加速度分量A(g)。最後，由式(4)(5)分別求出芯片在水平狀態或垂直狀態下的傾角。

3 數據處理模塊

STM32F107采用的是ARM Cortex—M3內核，工作電壓為3.3 V，時鍾頻率達到72 MHz。該芯片係統資源和外圍接口豐富
，內部集成專用時鍾、複位以及電源管理模塊，支持多種工作模式。由於STM32F107芯片的性能、成本和功耗方麵的特點，選擇它作為數據處理模塊。更重要的是STM32F107的定時器除了TIM6和TIM7，都有輸入捕獲功能。

3.1 輸入捕獲功能應用於角度測量的工作原理

以TIM2定時器實現輸入捕獲功能為例。TIM2有4個獨立通道
，通過檢測TIM2_CH1通道上的邊沿信號，在邊沿信號發生跳變(比如上升沿/下降沿)的時候，將當前定時器的值存放到TIM2_CH1的捕獲/比較寄存器裏麵，完成一次捕獲。這就是STM32F107所具有的輸入捕獲功能。

將ADXL202的Xout、Yout引腳輸出接到STM32F107的34、35引腳(PA0

、PA1)上，由STM32F107的原理圖可知，34


、35引腳控製TIM2_CH1和TIM2_CH2兩個通道。用TIM2_CH1來捕獲Xout的de數shu字zi方fang波bo信xin號hao的de高gao電dian平ping脈mai衝chong，首shou先xian配pei置zhi此ci通tong道dao的de輸shu入ru捕bu獲huo為wei上shang升sheng沿yan檢jian測ce。當dang檢jian測ce到dao上shang升sheng沿yan時shi，進jin入ru中zhong斷duan將jiang計ji數shu器qi清qing零ling重zhong新xin開kai始shi計ji數shu
，並bing配pei置zhi通tong道dao的de輸shu入ru捕bu獲huo為wei下xia降jiang沿yan捕bu獲huo;當檢測到下降沿時，進入中斷讀取計數器的值，由計數值和計數頻率可得到高電平的脈寬，即T1。然後通過以下兩個公式：

A(g)=(T1/T2-0.5)/12.5% (6)
α=sin-1(Ax/g)， β=sin-1(AY/g) (7)

計算得出當前的傾角
，之後將結果傳輸給液晶顯示屏顯示結果。式中T2=1 ms。此處僅討論芯片水平放置時的情況
，當芯片垂直放置時，用式(5)即可。

3.2 采集和處理數據的方法

ADXL202有兩路輸出信號Xout

、Yout，而且它們是同時工作的，而STM32F107是順序處理器，一個時間點上隻能處理一路信號。我們采用分時複用的方法解決，以1 s為時間點，在這1 s內，STM32F107隻(zhi)采(cai)集(ji)處(chu)理(li)一(yi)條(tiao)通(tong)道(dao)內(nei)的(de)信(xin)號(hao)和(he)數(shu)據(ju)
，到(dao)下(xia)一(yi)秒(miao)時(shi)就(jiu)采(cai)集(ji)處(chu)理(li)另(ling)一(yi)條(tiao)通(tong)道(dao)上(shang)的(de)信(xin)號(hao)和(he)數(shu)據(ju)。還(hai)應(ying)該(gai)注(zhu)意(yi)一(yi)個(ge)問(wen)題(ti)，計(ji)數(shu)器(qi)在(zai)檢(jian)測(ce)到(dao)上(shang)升(sheng)沿(yan)時(shi)開(kai)始(shi)計(ji)數(shu)，等(deng)下(xia)降(jiang)沿(yan)到(dao)來(lai)停(ting)止(zhi)計(ji)數(shu)的(de)時(shi)間(jian)內(nei)，脈(mai)寬(kuan)過(guo)長(chang)時(shi)計(ji)數(shu)器(qi)會(hui)發(fa)生(sheng)溢(yi)出(chu)，所(suo)以(yi)必(bi)須(xu)記(ji)錄(lu)下(xia)溢(yi)出(chu)次(ci)數(shu)。在(zai)最(zui)後(hou)計(ji)算(suan)計(ji)數(shu)器(qi)的(de)值(zhi)時(shi)，將(jiang)溢(yi)出(chu)次(ci)數(shu)乘(cheng)以(yi)計(ji)數(shu)器(qi)的(de)寬(kuan)度(du)加(jia)上(shang)當(dang)前(qian)計(ji)數(shu)器(qi)的(de)值(zhi)，即(ji)為(wei)總(zong)的(de)計(ji)數(shu)值(zhi)。
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4 角度測量儀係統的程序設計

使用STM32F107的輸入捕獲功能，需要通過程序配置內部寄存器的初始狀態
，以此來滿足角度測量儀的工作需求。

①開啟GPIO和TIM2的時鍾
，通過內部的庫函數RCC_APB2PeriphClockCmd

、RCC_APB1PeriphClockCmd來控製兩個時鍾的開啟。為了采集TIM 2_CH1和TIM2_CH2上的高電平脈寬，需配置PA0和PA1為下拉輸入。

②初始化TIM2，設定TIM2的輸入捕獲自動重裝載值為0xfffe

，計數頻率為1 MHz。

③使能輸入捕獲、中斷、計數器，通過STM32F107的庫函數能方便地配置。

由角度測量和輸入捕獲原理可得係統的程序流程圖，如圖7所示。

5 調試和測量結果

在室溫下進行調試。當角度測量儀沒有傾斜時，液晶屏上顯示的結果並不為零，其原因是ADXL202安an裝zhuang無wu法fa完wan全quan水shui平ping。芯xin片pian安an裝zhuang後hou本ben身shen存cun在zai傾qing角jiao，這zhe是shi不bu可ke避bi免mian的de。雖sui然ran調tiao試shi環huan境jing是shi在zai室shi溫wen下xia，但dan是shi實shi際ji使shi用yong的de環huan境jing可ke能neng是shi溫wen度du變bian化hua較jiao大da的de場chang合he，零ling漂piao和he靈ling敏min度du隨sui溫wen度du的de漂piao移yi將jiang會hui很hen嚴yan重zhong，直zhi接jie測ce量liang時shi會hui導dao致zhi很hen大da的de角jiao度du誤wu差cha
，因yin此ci，必bi須xu采cai取qu某mou種zhong形xing式shi的de溫wen度du補bu償chang方fang法fa來lai解jie決jue。

當(dang)角(jiao)度(du)測(ce)量(liang)儀(yi)有(you)傾(qing)斜(xie)時(shi)，測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)與(yu)實(shi)際(ji)值(zhi)有(you)較(jiao)大(da)誤(wu)差(cha)。經(jing)分(fen)析(xi)是(shi)輸(shu)入(ru)捕(bu)獲(huo)的(de)計(ji)數(shu)器(qi)有(you)誤(wu)差(cha)。經(jing)將(jiang)幹(gan)擾(rao)和(he)毛(mao)刺(ci)計(ji)數(shu)進(jin)來(lai)，所(suo)以(yi)應(ying)該(gai)添(tian)加(jia)濾(lv)波(bo)電(dian)路(lu)
，同(tong)時(shi)計(ji)數(shu)器(qi)的(de)值(zhi)采(cai)用(yong)多(duo)次(ci)計(ji)數(shu)取(qu)平(ping)均(jun)值(zhi)的(de)方(fang)法(fa)
，以(yi)此(ci)提(ti)高(gao)計(ji)數(shu)的(de)精(jing)度(du)。

角度測量儀的測量結果如圖8所示。