基于ADXL213倾角仪性能的

【摘 要】倾角仪是一种测量物体倾斜角随时间变化的仪器.应用领域广泛,主要应用于铁路、建筑、军事、工业自动化等诸多高精尖行业当中.它是地壳形变观测仪器的重要组成部分,广泛应用于地面倾斜运动的测量以及地质灾害的检测与预警等各个方面.但基于ADXL213的倾角仪直接输出的数据动态特性和静态特性较差、稳定性差、波动范围大,因而要对此传感器输出角度数据进行滑动窗口式处理,并且要使处理之后数据输出的频率满足工程上指标的要求.此外,系统在计算角度值时占用了大量处理器资源,造成了数据输出频率较低,为了提高其输出频率,我们采用了空间换取时间的思想,最终使其满足工程要求.

【关 键 词】ADXL213；动态特性；静态特性；数据输出频率；滑动窗口处理

TheResearchofthePerformanceoftheTiltBasedonADXL213

SONGGuo-binYUANLue-lue

（CollegeofCommunicationandInformationEngineering,NanjingUniversityofPosts&Telemunication,NanjingJiangsu210003,China）

【Abstract】Inclinometerisanequipmentwhichmeasureschangesoftiltangleoftheobjectvarieswithtime.Ithaswiderangeofapplications,mainlyusedinrailways,construction,military,industrialautomationandmanyothersophisticatedareas.Itisanimportantpartofthecrustaldeformationobservationinstrument,whichhasbeenwidelyusedinthemeasurementofgroundtiltaswellasthedetectionandwarningofgeologicaldisasters.However,thedirectlyoutputdataoftiltanglebasedonADXL213haspoorstaticanddynamiccharacteristicsandstabilityanditluctuationisrelativelylarge.Thereforewehetoperformafilteringprocessontheoutputdata,andthefrequencyofdataoutputshouldmeetindustrialrequirements.Inaddition,thecalculationofangleoccupieslargeamountoftheprocessingresourcewhichleadstolowoutputfrequency.Inordertacklethisproblem,weexchangethetimewithspaceandfinallymeettheindustrialrequirement.

【Keywords】ADXL213；Dynamiccharacteristics；Staticcharacteristics；Filteringprocess；Outputfrequency

0引言

倾角仪是一种新型的高精度倾斜测量仪,广泛应用在机械、汽车制造、水利系统以及生物医学等自动化控制与测控领域.随着测控技术的更新换代,系统对测量精度的要求也越来越高.然而角度的测量仍存在测量精度低、产品尺寸大、动态范围小等硬伤；此外,一些元器件对工作环境要求高,可靠性差,不易实现与其它仪器融合等.现在国外此类仪器多采用重力加速度计测量倾角,但其昂贵,且重力加速度计抗震性差,体积较大,其应用受到诸多限制.本系统采用了低功耗高精度双轴加速度传感器――ADXL213,此类传感器的数据输出频率高,经过处理之后可以有效解决倾角仪的可靠性和稳定性,提高测量精度,并且有较好的抗震性能.本倾角仪的性能指标能满足一般工程对精度的要求,而且传感器成本较低,产品尺寸较小,满足目前市场需求,有较好的应用前景.

通常角度测量技术可以分为静态测量和动态测量.动态测量要求在载体突然运动时保持输出的角度值不变,这对数据处理的算法提出了很高的要求.这类测量仪器实现较为复杂,对处理器芯片的处理能力也提出了较高的要求.本论文主要研究的是基于STC单片机[1]的静态测量,主要目的在于研究其性能.通常情况下,在实际使用倾角仪中要尽量避免频繁的调节环节,这就要求倾角仪能够长时间稳定的工作,所以研究其稳定性非常有意义的,同时也是非常必要的,任何的精密仪器在出厂之前都要经过可靠性的检验.本论文对该倾角仪在长时间工作的情况下的静态特性和动态特性做了详细研究.

1系统构成

本系统主要分为两个模块：测量模块和数据处理模块.测量模块主要用来完成对外界角度数据的测量,实现方式是用单片机读取ADXL213传感器的数据.数据处理模块用来处理测量到的数据,并把处理之后的数据通过串口输出.系统原理框图如图1所示：

图1系统原理框图

角度传感器ADXL213主要用来采集外界角度的变化值,并把采集的角度值通过占空比的形式输出；单片机模块主要完成将采集到的占空比信号转换为角度值,并对角度值进行数据处理.本论文主要采用滤波算法对采集到数据进行处理,以提高数据的精度和可靠性；数据的输出模块主要是根据工程要求的波特率和通信接口实时显示采集到的倾角数据.系统电路图如图2所示：图2系统电路图

2输出数据处理与改进方法

本系统采用了滑动窗口滤波方法来对输出的角度数据进行处理,通过分析处理前后输出数据的各指标的变化来确定此数据处理算法的效果.此外,由于传感器放置不是绝对水平以及封装工艺的不足会对输出的角度值产生一定的影响.为了解决此类误差,我们需要对倾角仪进行出厂校准,并把此矫正数据值存入单片机的EEPROM之中.用户在使用此产品时,不需要自己校准,单片机在上电之后便会自动读取指定地址块中的校准值,用于矫正输出的数据.下面主要分析数据处理前后对此倾角仪性能的影响.

2.1周期的均值化处理

本倾角传感器以占空比的形式输出数据,通过公式（1）和（2）把占空比转换成加速度值.

A（g）等于（-μ）/μ（1）

μ等于50%*DUTYCYCLE等于0.5（2）

其中,T表示数据的占空比,T表示PWM波形的周期,由外界电阻Rset决定,其典型值是T等于Rset/125MΩ,μ为加速度为0gn时对应的占空比,典型值为50%,μ为1gn加速度变化引起的占空比变化值,典型值是30%[2].

在电路设计的过程中应选择高精度的电阻使之偏移较小,在本系统我们选用了100KΩ的军工级别电阻,这样得到T的值应该为0.0008s,但是通过串口输出的值则一直在此数值上下波动.由此可见,周期值并不是一个常数,这主要因为外界环境的影响以及电阻等制造工艺的不足导致了它所输出的信号周期不是一个固定的数值,因此我们要对此周期值进行均值化处理.首先设置单片机的寄存器,把寄存器模式设置成为捕获下降沿的模式,所以相邻两个上升沿（下降沿）的差值便是此周期值.在系统每次启动之后,采集16组周期数据（仅在系统上电时采集）,并进行均值化处理.利用MATLAB[3]画出了处理前后数据对比图形,如图3所示：

图3均值化处理对周期值的影响

2.2滑动窗口滤波对数据静态特性的影响

我们把计算得到的X轴和Y轴加速度值通过公式（3）和（4）转换成为实时角度值,然后测试滑动窗口滤波对数据的影响.

angle（x）等于arcsin（A/1）（3）

angle（y）等于arcsin（A/1）（4）

图4滑动滤波对静态特性的影响

在其他外界条件不变的情况下,我们把此倾角仪固定在摇摆台上,关闭摇摆台,获得此时输出的角度数据,然后利用MATLAB画出图形.滑动窗口滤波处理前后倾角仪的数据对比图如图4所示：

由图4可知,滑动滤波前输出数据的波动范围大约为0.14°,但是滤波之后的输出数据为一条直线很平稳、没有波动.总体而言,滤波对倾角仪静态特性的影响不是太大,数据处理之前的波动误差在可接受范围之内.

2.3滑动滤波对动态特性的影响[4]

图5滑动滤波对动态特性的影响

由于传感器自身条件的限制（本传感器自身的线性范围只有-60°到+60°）,使得本系统输出的数据在超过60°后,输出结果与实际角度值的误差较大.所以,线性范围区域的数据是我们此次分析的重点.在其他外界条件不变的情况下,我们把此倾角仪固定在摇摆台上,打开摇摆台,获得此时输出的角度数据,然后利用MATLAB画出图形.滑动滤波前后,倾角仪输出的数据如图5所示：（以下数据是对X轴数据的动态分析结果）

分析上图可以得出,滤波前数据抖动较大并且较频繁,滤波之后数据波动很小,曲线很光滑.在超过65°之后由于传感器的原因导致输出角度值斜率变大,我们暂不予考虑（实际工程中的使用不超60°）.因此,滑动窗口滤波对倾角仪输出数据有较大的改善,使得输出的数据更加稳定.由此可得出：此滤波算法可以明显提高倾角仪的动态特性.

2.4数据输出频率的研究

数据输出频率反映了系统的实时性.输出频率越高,实时性越好,反之则越差.本系统采用的传感器ADXL213是一种直接输出占空比数据的传感器,与市场上常见的传感器SCA00T[5]相比,无需单片机发送相应的读取指令来获取指定轴的数据.所以理论上来讲,其数据输出频率应远远高于其它类型的传感器.但在实际测试过程中,本系统的输出频率远远低于工程上要求的输出频率,仅为15Hz左右.究其原因,主要是由于本系统根据加速度值来计算角度值的时候用到反正弦数学运算,此运算占用了大量处理器资源,严重地影响了数据的输出频率.

针对上述问题,我们采用了利用空间换取时间的思想.利用MATLAB把所有的角度值计算出来,然后把数据烧写到单片机的EEPROM当中,利用程序实现角度值与加速度值之间的关系,然后通过查表的方法找到角度值后输出.这种方法避免了利用单片机去计算反正弦运算,大大提高了数据的输出频率.采用这种方法加上数据处理之后的数据输出频率可达到35Hz左右,远高于市场上常见的倾角仪输出频率,满足了工程上对实时性的要求.

3结束语

加速度传感器的精度直接决定了双轴倾角仪的精度.由以上的实验分析可知,倾角仪的静态特性较好,未经过数据处理的数据也能基本满足实际工程要求；但动态效果较差,主要是由于传感器自身因素的影响.但这种较差的动态特性可以通过良好的补偿算法得以弥补,本系统便是采用了滑动窗口滤波的算法对输出数据进行处理,处理结果良好,完全可以达到要求.此外,我们还研究了本系统的数据输出频率,通过空间换时间的思想来满足对实时性的要求.

本论文主要研究了周期值的波动性,并采用均值化方法消除波动.分别从静态特性、动态特性和数据输出频率三方面对倾角仪的性能进行了研究,其性能完全满足工程需要,具有较好的应用前景[6][7].

【参考文献】

[1]陈桂友,陈海峰,贺红.STC单片机与网络通信技术[M].北京：北京航空航天大学出版社,2013.

[2]传感器ADXL213数据手册[Z].

[3]闻新.MATLAB基础与实例教程[M].北京：国防工业出版社,2013,05.

[4]马洪连,郑保重.基于MEMS技术倾角测量系统的设计与实现[J].仪器仪表学报,2005,26（08）：185-187.

[5]孙汝建.基于SPI接口的双轴SCA100T倾角传感器及其应用方法[J].仪器仪表学报,2006,13（04）：69-71.

[6]ShuchaoWu,ShuhuaFan,JunLuoetal.Foldedpendulumtiltmeter[J].Rev.Sci.Instrum.,2002,73：2150-2156.

[7]Z.B.Zhou,J.Winterflood,L.Juetal.Investigationofalaserwalker-offanglesensoranditsapplicationtotiltmeasurementingritationalwedetectors[J].Phys.Lett.A,2001,280：197-203.

[责任编辑：陈双芹]