基于微机电系统的三轴向低重力加速计在车载导航定位中的应用
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Application of 3-Axis Acceleration Sensor in positioning
摘要：飞思卡尔开发的基于微机电系统(MEMS)的三轴向低重力加速计是一款单芯片设备，能在XYZ三个轴向上以极高的灵敏度读取低重力水平的坠落、倾斜、移动、放置、震动和摇摆变化，体型小巧功耗低，且有可选量程，可广泛的应用于各个领域。本文简要的介绍了的工作原理，且就其在车载导航定位方面的应用进行了设计。
关键词：集成传感器； 加速度； 车载导航定位
Abstract:3-axis acceleration sensor is a single chip device which is developed by freescale based on MEMS.It can sense fall,tilt,motion,positioning,shock or vibration on the three axises in a very high sensitivity.It is small and has low power consumption.It has the feature of Selectable Sensitivity which allows you to select different g value among 4 sensitivities.So it can be applicated in various of areas.This paper not only introduces the principle of operation of ,but also involves the design of in automotive positioning.
Key words: transmitter; acceleration; automotive positioning
引言
随着定位导航技术的飞速发展，车载导航系统在相关领域得到了越来越广泛的应用。车载导航系统的功能是帮助用户确定车辆位置并提供正确的操纵指示，目前，常用的定位手段有GPS卫星定位、惯性导航定位和组合导航定位等。本文将要设计的是基于三轴向低重力加速度传感器的GPS盲区定位方法应用。在车载导航系统中，加速度传感器完成车辆瞬时加速度的数据采集任务，然后根据推算定位法计算出当前位置相对于已知参考位置之间的偏移，从而得到车辆的绝对位置。在短时间内，利用这种方法得到的定位精度很高，例如：在平均加速度28.4mg的情况下，10s钟范围内，得到的定位误差大约是0.5m，与GPS单点平均定位误差15m―20m相比，是微不足道的；特别在GPS盲区中，可以起到继续准确定位。因此，加速度传感器通常和GPS一起组合成为组合导航系统，以提高定位精度，增强系统性能。
的工作原理
是一单芯片支持X，Y，Z轴向的集成加速度传感器，其功能结构如下图示：
图1. 内部功能方块图
传感器是由重力g感测单元，震荡器，时钟信号发生器，C to V转换器，积分放大滤波器，微调电路和温度补偿电路组成。（如上图所示）。引脚较少，五输入三输出，且每根管脚的功能和作用容易理解，因此使用起来很简单。输出的信号为模拟电压信号，因此可以直接与带有A/D转换模块的MCU/单片机相连接。
内建g-select电路，其量程可在1.5g,2g,4g,6g加速度中选择，我们可以通过两个g-select引脚的逻辑输入来选择g值（如表1）。一般会通过MCU的I/O引脚去控制或驱动g-select，使其处于高电平或是低电平。至于应用时如何确保最佳灵敏度状态，则可以通过观察MCU的状态，MCU在读取传感器的时候出现满格状态，且持续一段时间，则MCU就必须设定更大的g值范围来确定输出是否再次出现饱和。在不同应用时，也可以通过设定不同g值范围来得到最佳使用状况。使用过程中可以随时改变灵敏度。该特性很适合那些根据最优性能需要不同灵敏度的场合。它还具有在正常操作状态下500uA、休眠状态下3uA的低耗电流，其操作电压很低，仅有2.2-3.6V，而且具有快速的上电响应时间（1ms），休眠模式的唤醒时间很快，仅为0.5ms，通过将有源低电平休眠模式管脚设为高电平，即可实现触发。休眠模式下的功耗很低，需要加速度计数据时，响应时间也很快。可应用在手持设备上。
表1：量程选定
中采用电容式加速度传感器。由电容的物理特性，电容值的大小与电极板的面积大小成正比，与电极板的距离成反比。g感测单元就是利用电容的原理设计的。从芯片内部简化功能摸块来看，g感测单元将所侦测的加速度变化量的信号送往“C TO V转换电路”，然后再送到积分放大滤波器进行处理，最后通过温度补偿处理后输出反映瞬时加速度值大小的模拟电压信号。
基于的设计应用
在车载导航应用系统中，难免会碰到不好的天气及建筑物遮挡等GPS盲区情况，此时， 接收GPS信号受到影响。为了减少定位的不准确，在使用GPS接收机定位的同时，利用加速度传感器来进一步定位。因此本文将要设计的定位系统采用的方法是基于结合GPS卫星定位的一种组合定位方法。考虑到的输出是模拟输出信号，因此在此我们选用一款片内自带A/D转换模块的微控制器。选择的原因，不仅仅是考虑到它出色的低功耗特性，而且它自带的12位ADC，转换精度较高。整个导航定位系统的结构框架如下图示：
图2.组合导航定位系统结构框图
在这个设计中，作为导航定位的核心，为整个系统的操作提供一个工作平台，集中处理来自加速度传感器和GPS接收机的信号，然后将处理的结果定位到电子地图上，同时经过LCD输出显示。在这里要注意的是与MCU的连接，在电源部分接入一个0.1uF的电容，在X，Y，Z三个轴向上的输出各接一个1KΩ的电阻和一个0.1uF的电容，目的是将开关电容滤波电路的时钟噪声降至最低，如下图所示，其中R代表1KΩ的电阻，C代表0.1uF的电容。其中两个g-select引脚分别与微控制器的两个I/O引脚相连，我们通过微控制器的设置来选择g值。
图3.与MCU的连接图
我们选用Windows CE操作系统来开发导航程序。因为与其它嵌入式操作系统相比较，它具有较强的内存管理、文件管理和GUI功能，而车载导航系统中，对于显示地图调度、用户交互界面都有很高的要求，所以选择它是十分合适的。车载导航系统应用程序是一个多任务程序，启动后，首先将与GPS接收机相连的串口1、与相连的串口2和与LCD屏相连用于显示车辆行驶位置的LCD控制器进行初始化，初始化完毕CPU开始实时监听串口1和串口2中断信号。加速度传感器在车辆运行过程中不断测量其瞬时加速度值，由于是模拟电压信号，因此这三个引脚需接于MCU的A/D输出引脚。当的输出信号送入CPU，就会引起相应的串口中断，CPU检测到中断信号时，由中断控制器判断找到相应的中断服务程序的入口地址，调用程序进行处理；当GPS接收机通过卫星天线接受来自卫星的导航定位载波信号，经过解调通过串口将信号送给MCU时，也引发相应的串口中断，由中断控制器判断找到相应中断服务程序的入口地址，调用程序进行处理。处理传感器信号的中断服务程序首先缓冲接收到数据，经过两次积分运算处理后得到一个周期内的相对位移数据，缓存在内存中并退出，交出CPU使用权；处理GPS数据的中断服务程序首先也缓冲接收到的数据，按照事先约定的格式，从中提取方向和位置信息，缓存内存中并退出并交出CPU使用权。得到两路数据源的数据后，处理器将两路数据通过数字卡尔曼滤波方式融合在一起，从而得到精度较高的位置信息。并采用地图匹配算法在电子地图上标绘出当前位置，通过对LCD屏的刷新，将定位、导航信息及时提供给用户。该系统使用 和GPS作为数据源进行组合导航，既可以发挥加速度传感器短期定位精度高、自主导航不受外界干扰的优势，又可以发挥GPS导航长期定位稳定，使用简单的优势，减少了误差积累带来的影响，提高了系统性能。
结束语
该设计应用飞思卡尔今年的新产品三轴向加速度传感器，结合GPS卫星定位方法构成一种组合导航定位系统，克服了GPS卫星定位由于自然环境等因素造成定位的不准确的缺陷，进一步改善了定位系统的性能，提高了定位的精确度。目前该设计正在进行中，经过测试，各方面性能良好，是一种可行的设计思路。
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本文作者创新点：在GPS卫星导航定位系统中，当涉及到盲区或因自然环境因素导致定位不准确时，本文提及的三轴向加速度传感器定位精度高，自主导航不受外界干扰，两者结合，减少了误差积累的影响，提高了定位的精度。
个人简介：姓名：李智利 ；学历：硕士在读；籍贯：湖北省黄冈市浠水县； 研究方向：嵌入式系统设计与开发；
通信地址：上海理工大学8舍211室； 邮编：200093；
汪正祥 男，1962年5月出生，汉，硕士，自动化仪表与装置，上海市注册咨询专家，主要从事于智能化仪表系统技术开发、IT项目管理、咨询和教学。
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