近年來，基於MEMS（微機電系統）技術的微機械慣性器件日漸成熟，用MEMS慣性器件構成慣性系統已成為目前慣性技術領域的一個研究熱點。
傳統研究方法是先建立數學模型，後期採用數據處理算法來糾正誤差。在慣性系統的應用中，這不僅要求數學模型準確可靠，而且普通的微控制器由於處理速度限制，而很難處理如此大的數據量，採用高性能DSP無疑增加了成本。為此，設計了以LM3S8962為核心處理器，以ADIS16365為慣性傳感器的慣性系統。該系統利用ADIS16365自身的數據處理功能對三軸角速度和角加速度數據進行處理。在外部再經過濾波與積分，得到了精確的角度信號，滿足了系統的可靠性和。控制要求。此外，面對系統對慣性數據需求量的增多，將該慣性系統設計為一個CAN節點應用於整個系統。
1 ADIS16365概述
ADIS16365是ADI公司於2008年9月推出的一款全新的數字輸出的高性能微慣性測量系統。這款傳感器結合了ADI公司的iMEMS和混合信號處理技術，提供校準的數字慣性檢測。系統除分別提供3個軸方向上的角速度、角加速度以外，還包括自動偏置校準、數字濾波與採樣速率、自檢、電源管理、條件監控、模數轉換，以及輔助數字輸入／輸出，這些功能都通過快速的數據訪問接口（SPI）與MCU進行交互，提供方便的數據和配置控制。ADIS16365的一些性能參數如下：角度解析度為±80（°）／s；典型帶寬為0.33 kHz；線性加速度補償因子為0.05（°）／s／g；運動偏移穩定性為0.009（°）／s。
2 慣性測量系統硬體設計
2.1 總體設計
該系統硬體主要包括ADIS16365，CTM8251，LM3S8962。系統硬體框圖如圖1所示。
圖1 系統硬體框圖
LM3S8962是TI公司一款用於工業控制的32位高速控制器，內部集成了工業控制用到的各種常用協議，其中CAN模塊支持CAN 2.0B協議，位速率高達1 Mb／s，具有可編程FIFO模式，使實時應用成為可能。此外，其內部擁有256 KB的單周期FLASH，可用於數據存儲，方便外部讀取。CTM8251是一款帶隔離的通用CAN收發器模塊，該模塊內部集成了所有必須的CAN隔離及CAN收、發器件。模塊的主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電平並且具有DC 2 500 V的隔離功能。
2.2 硬體電路設計
陀螺儀硬體電路原理圖如圖2所示，選用LM3S8962自帶的SPI硬體接口對ADIS16365進行操作，在電路設計中只需要直接將LM3S8962的SPI硬體I／O接口與ADIS16365相應的接口連接起來。
圖2 陀螺儀硬體電路原理圖
CAN接口原理圖如圖3所示，LM3S8962對應的CAN接口分別為PD0和PD1，將其與CTM8251進行電氣連接，通過對CTM8251進行相應的電路配置，並且在信號輸出端做好相應的屏蔽工作以防止噪聲幹擾傳輸和靜電帶來的不安全因素，最後將CTM8251輸出的高、低端分別與器件相應引腳連接。
圖3 CAN接口原理圖
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3 慣性測量系統軟體設計
3.1 總體設計
微控制器直接控制慣性傳感器的工作狀態並採集角速度、角加速度等信息，為了達到處理的實時性，當ADIS16365有數據需要發送時，中斷通知微控制器進行讀取。微控制器將採集到的數據進行積分及濾波處理，並將處理後的信息存儲在片內FLASH中。當微控制器接收到數據請求時，通過CAN總線發送數據。圖4為系統主流程圖。
圖4 系統流程圖
3.2 數據採集設計
微控制器通過SPI模式3與慣性傳感器通信，在時鐘下降沿時建立數據，上升沿時讀取數據。圖5為通信時序圖。
從圖5可以看出，一個SPI傳輸包有16位。由於LM3S8962是32位處理器，因此每次可以傳輸一個SPI傳輸包。傳輸包高字節包括1位的讀／寫狀態位和7位寄存器地址信息，低字節為讀／寫寄存器數據。ADIS16365的內部寄存器為16位，拆分為2個8位，分為高低地址，因此讀／寫操作都需要2個傳輸包。如果是寫操作，則第一個傳輸包的高字節說明寄存器的低8位地址，低字節為寫入寄存器低8位的值，第二個傳輸包則相應地寫入寄存器的高8位；如果是讀操作，則第一個傳輸包的高字節說明寄存器低8位地址，低字節無效，寄存器的值出現在第二個傳輸包。
ADIS16365擁有較為完善的數據處理方案，經測試，使用其內部校正功能可以明顯改善系統性能。根據寫入GLOB_CMD寄存器命令的不同，可以採用不同的處理方法。表1和表2列出了內部普通校準和精確校準與未校準數據的比較。
3.3 CAN總線節點設計
控制器區域網（CAN）總線屬於現場總線範疇，它是德國Bosch公司為解決現代汽車中眾多測試與控制儀器的數據交換而開發的串行數據通信協議。經過多年的應用發展，CAN以其極高的可靠性、實時性和靈活性而廣泛應用在各種領域。鑑於此，該系統採用CAN協議來完成數據的交換。
CAN2.0B協議規定了4種幀類型：數據幀、遠程幀、錯誤幀和過載幀。其中數據幀將數據從發送器傳輸到接收器，遠程幀用於請求具有同一標誌符的數據幀。CAN協議沒有規定地址的概念，所有數據傳輸均基於報文標識符，當總線上出現一個報文時，所有節點的CAN驗收濾波器將該報文的標識符與自身的驗收代碼寄存器和驗收屏蔽寄存器比較，來決定是否接收該報文。因此，該系統將慣性傳感器數據標識為「GY-Rn」，其中n為接收端編號，對於擴展幀的29位標識符而言，除去前綴「GYR」24位外，最多可以有32個接收端，滿足一般系統需求。為使LM3S8962的CAN模塊能響應所有數據請求，只需將驗收屏蔽寄存器的後5位置1即可。當接收端n需要數據時，發送標識符為「GYRn」的遠程幀，LM3S896 2的CAN模塊在接收到之後從內部FLASH中讀取數據，再回發相同標識符的數據幀完成通信。
4 結語
這裡所設計的慣性系統主要採用MEMS器件ADIS16365，測量目標的三種角速度。採用含CAN控制器的LM3S8962微控制器進行控制，只需很少的外圍器件即獲得了優異的性能。結構簡單、體積小，使用方便，具備較強的使用性。
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