基于ADISl6355 MEMS的慣性測量組件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤測量、視頻監(jiān)控等各種實(shí)時(shí)測量系統(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)也采用慣性測量組件，但大都功能單一、精度較低。這里主要針對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)高精度的慣性測量組件系統(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，有效提高測量精確度。

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、加速度測量傳感器，其核心傳感器部件均采用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／℃，因此適用于角度精度要求較高的場合。ADISl6355AMLZ提供一個(gè)串行外部接口SPI，可對器件進(jìn)行配置，獲得運(yùn)行狀態(tài)與測量結(jié)果等；對外部供電要求不高，內(nèi)部自帶高精度穩(wěn)壓電路，外圍電路較少。

2 慣性測量組件系統(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量組件的工作狀態(tài)、數(shù)據(jù)采集，并將慣性測量組件采集的數(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為慣性測量組件的讀操作SPI時(shí)序圖。