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(qi)ADXL202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
、Yzhouchuanganqishoudaojiasudulihoushuchuzhenfubianhuadefangbo，shuchufangbodezhenfuyujiasuduchengzhengbi。xiangweijietiaoqinenggouduishuchudefangboxinhaojinxingxiuzhengbingtiquxinxi，ranhoupanduanjiasudufangxiang。xiangweijietiaoqideshuchuhuijingguoyigeditonglvbodianlu
，keyitongguogaibianlvbodianrongdedaxiaolaishezhishuchuxinhaodedaikuan。jingguoditonglvbodemonixinhaojinruDCM
，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Xoutdeshuzifangboxinhaodegaodianpingmaichong，shouxianpeizhicitongdaodeshurubuhuoweishangshengyanjiance。dangjiancedaoshangshengyanshi，jinruzhongduanjiangjishuqiqinglingzhongxinkaishijishu
，bingpeizhitongdaodeshurubuhuoweixiajiangyanbuhuo;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，STM32F107zhicaijichuliyitiaotongdaoneidexinhaoheshuju
，daoxiayimiaoshijiucaijichulilingyitiaotongdaoshangdexinhaoheshuju。haiyinggaizhuyiyigewenti，jishuqizaijiancedaoshangshengyanshikaishijishu
，dengxiajiangyandaolaitingzhijishudeshijiannei，maikuanguochangshijishuqihuifashengyichu，suoyibixujiluxiayichucishu。zaizuihoujisuanjishuqidezhishi
，jiangyichucishuchengyijishuqidekuandujiashangdangqianjishuqidezhi

，jiweizongdejishuzhi。
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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ADXL202anzhuangwufawanquanshuiping。xinpiananzhuanghoubenshencunzaiqingjiao，zheshibukebimiande。suirantiaoshihuanjingshizaishiwenxia，danshishijishiyongdehuanjingkenengshiwendubianhuajiaodadechanghe，lingpiaohelingmindusuiwendudepiaoyijianghuihenyanzhong，zhijieceliangshihuidaozhihendadejiaoduwucha，yinci，bixucaiqumouzhongxingshidewendubuchangfangfalaijiejue。

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。