先簡(jiǎn)介 ADISl6355AMLZ 型 MEMS 的原理、構(gòu)成及應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，搭建一個(gè)硬件平臺(tái)，采用內(nèi)置 USB 控制器的 AT89C513lA 型單片機(jī)作為主控制器，控制 ADISl6355AMLZ 并采集、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。并對(duì)慣性測(cè)量組件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

　　運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤測(cè)量、視頻監(jiān)控等各種實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)在工業(yè)、生活中應(yīng)用日益廣泛。然而在這些系統(tǒng)中存在一個(gè)共同問題；如何保持?jǐn)z像機(jī)的穩(wěn)定，處理在跟蹤過程中攝像機(jī)出現(xiàn)的抖動(dòng)。傳統(tǒng)的方法是采用預(yù)先建立的數(shù)學(xué)模型在后期進(jìn)行算法處理來糾正攝像機(jī)出現(xiàn)的抖動(dòng)誤差，然而這種情況下要求建立的數(shù)學(xué)模型相當(dāng)可靠，而實(shí)際處理產(chǎn)生的誤差也較大，雖然個(gè)別系統(tǒng)也采用慣性測(cè)量組件，但大都功能單一、  較低。這里主要針對(duì) ADI 公司生產(chǎn)的 ADISl6355AMLZ 在攝像穩(wěn)定中的作用，設(shè)計(jì)一個(gè)高  的慣性測(cè)量組件系統(tǒng)。將其應(yīng)用在需要攝像穩(wěn)定的跟蹤、監(jiān)控?cái)z像機(jī)上，可以準(zhǔn)確記錄出現(xiàn)的抖動(dòng)誤差，有效提高測(cè)量  度。

　　1、 ADISl6355AMLZ 概述

　　1．1 ADISl6355AMLZ 的基本原理

　　ADISl6355AMLZ 是 ADI 公司生產(chǎn)的一款數(shù)字輸出、全溫校準(zhǔn)的高性能、微慣性測(cè)量系統(tǒng)。其輸出為 SPI 串行接口，提供 3 個(gè)角速率信號(hào)、3 個(gè)線加速度計(jì)信號(hào)、溫度傳感器信號(hào)、電源電壓信號(hào)和 1 個(gè)輔助的模擬輸入。ADISl6355AMLZ 是一種微機(jī)械陀螺儀，屬于振動(dòng)陀螺儀 VG（Vibrat- ory Gymscope）。振動(dòng)陀螺儀的基本工作原理都是產(chǎn)生并檢測(cè)哥氏加速度，即利用哥氏效應(yīng)使陀螺的 2 個(gè)振動(dòng)模態(tài)間產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)換。哥氏加速度在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中表征加速度，與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)速率成比例。

　　1．2 ADISl6355AMLZ 的基本構(gòu)成

　　ADISl6355AMLZ 是 ADI 公司 MEMS 器件 ADISl635X 系列的角速度、加速度測(cè)量傳感器，其  傳感器部件均采用 iMEMs 技術(shù)，屬于利用哥氏效應(yīng)的振動(dòng)陀螺儀。輸出零偏穩(wěn)定性為 O．015（°）／s，角度隨機(jī)游走為 4．2（°）／s，而其溫度系數(shù)則為 O．008（°）／s／℃，因此適用于角度  要求較高的場(chǎng)合。ADISl6355AMLZ 提供一個(gè)串行外部接口 SPI，可對(duì)器件進(jìn)行配置，獲得運(yùn)行狀態(tài)與測(cè)量結(jié)果等；對(duì)外部供電要求不高，內(nèi)部自帶高  穩(wěn)壓電路，外圍電路較少。

　　2、 慣性測(cè)量組件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　這里主要利用 ADISl6355AMLZ 在攝像穩(wěn)定方面的重要作用，可有效校正攝像機(jī)在跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)過程中由于抖動(dòng)而產(chǎn)生的誤差，并能較好解決在跟蹤過程中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在攝像機(jī)視場(chǎng)中丟失的問題，與傳統(tǒng)的根據(jù)已建立的數(shù)學(xué)模型來處理目標(biāo)丟失現(xiàn)象相比，準(zhǔn)確度較高。

　　2．1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)硬件電路主要包括 AT89C513lA、K9F1G08UOM 存儲(chǔ)器、ADISl6355AMLZ 等。圖 1 為系統(tǒng)硬件框圖。

　　MCU 控制器作為主控制器可直接控制慣性測(cè)量組件的工作狀態(tài)、數(shù)據(jù)采集，并將慣性測(cè)量組件采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到存儲(chǔ)器件內(nèi)，或通過 USB 接口直接傳入 PC 機(jī)處理。AT89C513lA 是 Atmel 公司生產(chǎn)的基于 80C52 內(nèi)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(shù)據(jù)高速采集到 PC 機(jī)。K9F1G08UOM 是三星公司的 NAND Flash 存儲(chǔ)器件，其容量為 128 MB，在慣性測(cè)量組件高速采集的情況下可存儲(chǔ)至少 4 h 的連續(xù)采集數(shù)據(jù)量。其內(nèi)部存儲(chǔ)列為 1 024 塊。每塊分為 64 頁，1 頁包含 2 112 字節(jié)，命令、地址、數(shù)據(jù)信息通過 8 條 I／O 線時(shí)分復(fù)用?？蓤?zhí)行 2 K 字節(jié)的頁編程操作和頁讀操作。

　　在該系統(tǒng)中，ADSl6355AMLZ 作為從設(shè)備通過 SPI 接口與外界通信，輸出測(cè)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(shè)置 ADISl6355AMLZ 內(nèi)部寄存器，從而增強(qiáng)使用的靈活性。圖 2 為慣性測(cè)量組件的讀操作 SPI 時(shí)序圖。

　　從圖 2 中可看出，ADISl6355AMLZ 的 1 次 SPI 傳輸包括 16 位數(shù)據(jù)。其中第 l 位是此次 SPI 傳輸?shù)淖x寫狀態(tài)標(biāo)識(shí)，第 2 位為 O，接著的 6 特位是即將讀或?qū)懙募拇嫫鞯刂罚?nbsp; 的 8 位在寫操作時(shí)是將要寫入寄存器的數(shù)據(jù)，如果是讀操作則無效。完成 ADISl6355AMLZ 的 1 個(gè)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(nèi)容將在第 2 次 SPI 通信時(shí)出現(xiàn)在 ADISl6355AMLZ 的 DOUT 信號(hào)線上，輸入 SPI 的主設(shè)備。

　　AT89C5131A 內(nèi)置包含 SPI 接口，可方便地與 ADISl6355AMLZ 連接，通過 SPI 接口配置相應(yīng)的寄存器即可控制 ADISl6355AMLZ。由于該單片機(jī)為 8 位。其內(nèi)部寄存器也為 8 位。因此需對(duì)自身的 SPI 寄存器進(jìn)行 2 次寫操作，才能完成 ADISl6355AMLZ 1 次 SPI 數(shù)據(jù)傳輸。該單片機(jī)內(nèi)含 1 個(gè) USB 控制器，可向 PC 機(jī)高速傳輸數(shù)據(jù)。

　　2．2 慣性測(cè)量組件系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)的硬件電路部分主要由內(nèi)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(yīng)的命令才能順利執(zhí)行 ADISl6355AMLZ 和 NAND Flash 的各種操作，南于數(shù)據(jù)線與地址線復(fù)用為 8 根線，因此地址、命令以及數(shù)據(jù)的輸入／輸出需要通過命令鎖存信號(hào)（CLE）和地址鎖存信號(hào)（ALE）共同控制從分時(shí)復(fù)用。

　　圖 3 中，I／O［7：0］：數(shù)據(jù)輸入／輸出端口，該信號(hào)與 AT89C513l 的 AD［7：0］連接。寫使能信號(hào)。在其上升沿時(shí)，命令、地址和數(shù)據(jù)鎖存到相應(yīng)的寄存器中。該信號(hào)與 AT89C513l 的信號(hào)連接。：讀使能信號(hào)。在其下降沿時(shí)，輸出數(shù)據(jù)到 I／O 總線，同時(shí)，它還可以對(duì)內(nèi)部數(shù)據(jù)地址進(jìn)行累加。該信號(hào)與 AT89C513l 的信號(hào)連接。CLE：命令鎖存使能信號(hào)。當(dāng) CLE 為高電平時(shí)，命令在上升沿通過 I／O 端口送入命令寄存器。該信號(hào)與 AT89C5131 的 P2．0 引腳連接。ALE：地址鎖存使能信號(hào)。當(dāng) ALE 為高電平時(shí)，地址在上升沿送入地址寄存器。該信號(hào)與 AT89C513l 的 P2．1 引腳連接。：片選信號(hào)。用于控制設(shè)備的選擇，當(dāng)設(shè)備忙時(shí)為高電平而被忽略。當(dāng)處于編程和擦除操作時(shí)設(shè)備不能回到備用狀態(tài)。該信號(hào)與 AT89C513l 的 P2．2 引腳連接。：準(zhǔn)備好／忙輸出。當(dāng)它為低電平時(shí)，表示編程、擦除和隨機(jī)讀操作正在進(jìn)行，在操作完成后返回高電平；當(dāng)該器件沒被選中或輸出禁止時(shí)，其為高電平。該信號(hào)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(duì)應(yīng)相連。

　　3、 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

　　USB 總線具有速度快、連接簡(jiǎn)單快捷、無需外接電源、支持多設(shè)備連接等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這里選用的 AT89C513lA 單片機(jī)內(nèi)含 USB 控制器，因此 PC 機(jī)通過 USB 口實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)或從 Flash 存儲(chǔ)器上統(tǒng)一采集數(shù)據(jù)。

　　Microsoft 公司未提供適合于本系統(tǒng) USB 接口的驅(qū)動(dòng)程序，因此需自行開發(fā)。該程序的功能是：當(dāng) USB 設(shè)備連接到主機(jī)上時(shí)，主機(jī)可以發(fā)現(xiàn)新設(shè)備，然后建立連接并完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，也就是能夠讓 Windows 正常檢測(cè)和識(shí)別 USB 設(shè)備。采用 Driver-Studio 中的 DriverWorks 作為開發(fā)工具，開發(fā) WDM 型的 USB 驅(qū)動(dòng)程序。圖 4 為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程。

　　4、 結(jié)束語

　　這里所設(shè)計(jì)的慣性測(cè)量組件系統(tǒng)主要采用基于哥氏效應(yīng)的 ADISl6355 MEMS 器件，測(cè)量運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的三軸角速度、加速度，采用內(nèi)含 USB 控制器的 AT89C5131A 微控器進(jìn)行控制，只需很少的外圍器件，即可獲得性能優(yōu)異、應(yīng)用靈活方便的慣性測(cè)量組件系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)既可將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集送回 PC 機(jī)處理，也可先將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 Flash 上，然后統(tǒng)一采集到 PC 機(jī)上處理，充分體現(xiàn)了系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性，并且稍加修改就可應(yīng)用在慣性測(cè)量組件的其他應(yīng)用領(lǐng)域中，具有較好的推廣前景。