關于家用電器中監控數據的校準偏移方法的研究

王志輝 呂 琪 楊錦強

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

智能家用電器遍布了人們生活中的各個部分，監控車輛狀態的智能運輸監測儀占據著愈發重要的地位。利用傳感器獲取車輛行駛、運輸過程中的準確、實際的三軸加速度數據，不斷監測其安全性和穩定性[1]。當儀器發生不規則運動時，它會產生不同的振動或頻率模式[2]，網絡平臺獲得對應運動事件的狀態參數，從而進一步獲得車輛的運動事件及對應狀態[3]。

本文研究了基于ADXL375加速度計的運輸監控中數據校準偏移方法，此方法測量連續的時間內的偏移值是對校準結果的保障，從而提高了加速度計測量數據的準確性。

1 ADXL375介紹

ADXL375是一款3軸數字MEMS加速度計，在1 600 Hz帶寬下提供低功耗（145 μa）和高分辨率（98 mg/LSB）測量，最高可達±200 g，提供足夠的動態范圍以準確捕捉沖擊事件。數字輸出數據可通過SPI或I2C數字接口訪問。0 g偏移作為測量加速度的基線和標準，是重要的加速度計指標。但是在組裝載有加速度計的系統時，在對其他元器件進行焊接、安裝時，任何操作都會對加速度計的測量結果有所影響。在系統組裝完成后對加速度計進行校準，以補償這些影響是必要的。

2 偏移校準原理

加速度計校準的核心原理是測量X、Y、Z軸數據的偏移值，因為加速度計內部自帶偏移寄存器自動記錄了X、Y、Z軸數據的偏移量，起到補償偏移輸出的作用[4]。偏移寄存器（寄存器0x1E、0x1F和0x20）包含8位二進制補碼值，即加速度計所測得的X、Y、Z軸加速度值，這些值被自動記錄至加速度計內部的數據寄存器。因為三個偏移寄存器的值均為附加值，因此三個偏移寄存器中的負值可以消除正偏移，正值則消除負偏移。

具體的校準過程如下：X、Y軸上的0 g偏移值測量結果為X0g、Y0g。因為Z軸測量在+1 g場完成，所以無調頭或單點校準方案假定為Z軸的理想靈敏度SZ（20 LSB/g）。Z軸上的1 g偏移值測量結果為Z1g。加速度計X、Y軸的測量值XMEAS、YMEAS分別對應于X、Y軸偏移X0g、Y0g，通過從傳感器輸出中減去X0g、Y0g進行數據校準補償，以獲取實際值XACTUAL、YACTUAL，具體如公式（1）（2）所示：

從Z1g減去SZ得到Z軸偏移值Z1g，然后從測量值ZMEAS減去Z軸偏移，記為Z0g，獲得實際值ZACTUAL的具體如公式（3）（4）所示：

3 校準過程

本文提出了一種基于三軸加速度計的數據校準方法。校準過程主要分為三部分：準備校準、執行校準、校準結果顯示。具體校準流程如圖1所示。系統需在有效、合適的環境下進行校準，在最多n分鐘時間內結束校準，在n分鐘里出現連續三秒內三次的偏移值均在范圍內的情況，則校準成功，否則校準失敗。

圖1 校準流程圖

3.1 校準環境條件

本文提出的校準方法是基于重力場的靜態校準，是對加速度計的零偏和標度因數進行高精度校準的最佳手段。校準條件的標準如下所示：大理石平面要求長*寬*高300*300**50 mm、重量19 kg、水平面平整度為≤3 μm，使用水泡儀將大理石桌面調至水平、靜止[5]；環境溫度通常為室溫25（20±5）℃；相對濕度≤85 % RH[6]；保證校準環境較安靜、大理石桌面周圍無較大的震動、噪聲源以及大型器械、載具運行，并盡可能地減少人員的交流與走動。

3.2 準備校準

在3.1所述環境下，儀器平穩放置無調頭，即靜止時，在開機后，在10 s內，需要使其一直處于靜止狀態，即準備校準狀態。10 s后儀器將自動進入開始校準狀態。

3.3 執行校準

芯片手冊建議100 Hz或更高數據速率的起點為0.1 s，即100 Hz數據速率下10個樣本。儀器數據速率為1 600 Hz，采樣160個樣本，即1 s采樣0.1 s數據計算偏移值X0g、Y0g、Z0g，偏移值為樣本數據的均值。校準過程采樣0.1 s數據計算偏移值寫入傳感器，每間隔一秒采樣0.1 s數據計算偏移值，需連續計算3 s 3次三個軸的偏移值并判斷是否均在允許誤差范圍內。若均在允許誤差范圍內則校準成功，則立即退出校準過程；若不在允許誤差范圍內，則將3次偏移值均值寫入傳感器繼續下一次校準，如此循環，在n分鐘內有一次連續的3 s均在范圍內就代表校準成功。若一直校準失敗，n分鐘計時結束則立即退出校準過程。

3.4 校準結果顯示

經多次測試，總校準時長為3 min最為合適，其允許了多個范圍的校準成功與否，以下實驗均設定n為3。根據加速度計技術手冊，X、Y、Z軸的加速度比例因子0.049 g/LSB，以下數據單位均為LSB。

實驗1校準允許的誤差范圍為4/LSB，即0.2 g，在3.1所述環境下進行校準，3 s三個軸的偏移量均在范圍內，結果顯示校準成功。第一秒X、Y、Z軸的偏移量X0g、Y0g、Z0g為1、1、-2/LSB，即X、Y軸偏移0.05 g，Z軸偏移0.1 g；第二秒X、Y、Z軸的偏移量為2、-2、-1/LSB，即X、Y軸偏移0.1 g，Z軸偏移0.05 g；第三秒X、Y、Z軸的偏移量為0、0、4/LSB，即X、Y無偏移，Z軸偏移0.2 g。具體數據結果如表1所示。其中第三次的Z軸的偏移量Z0g的160個樣本數據以及均值，如表2所示。

表1 實驗1校準成功數據

表2 實驗1第三次的Z軸的偏移量樣本數

實驗2校準允許的誤差范圍為2/LSB，即0.1 g，在3.1所述環境下進行校準，3秒三個軸的偏移量均在范圍內，結果顯示校準成功。第一秒X、Y、Z軸的偏移量X0g、Y0g、Z0g為 1、-1、1/LSB，即 X、Y、Z軸均偏移0.05 g；第二秒X、Y、Z軸的偏移量為0、-2、0/LSB，即X、Z軸無偏移，Y軸偏移0.1 g；第三秒X、Y、Z軸的偏移量為0、-1、1/LSB，即X無偏移，Y、Z軸偏移0.1 g。具體數據結果如表3所示。其中第三次的X軸的偏移量Z0g的160個樣本數據以及均值，如表4所示。

表3 實驗2校準成功數據

表4 實驗2第三次的X軸的偏移量樣本數據

實驗3校準允許的誤差范圍為2/LSB，即0.1 g，在3.1所述環境有干擾的情況下，結果顯示校準失敗，即三分鐘內未出現連續3 s內3次三個軸的偏移量X0g、Y0g、Z0g均在2/LSB范圍內。第一秒X、Y、Z軸的偏移量X0g、Y0g、Z0g為1、1、-2/LSB，即X、Y偏移0.05 g，Z軸偏移0.1 g；第二秒X、Y、Z軸的偏移量X0g、Y0g、Z0g為0、0、2/LSB，即X、Y無偏移，Z軸偏移0.1 g，前兩秒的三個軸的偏移值均在允許的范圍0.1 g內。數據顯示第三秒校準失敗，X、Y、Z軸的偏移量X0g、Y0g、Z0g為-1、0、3/LSB，即X軸偏移0.05 g，Y軸無偏移，具體問題是第三秒時Z軸的偏移量為3/LSB，已超過設定的誤差范圍2/LSB。具體數據結果如表5所示。其中第三次的Z軸的偏移量Z0g的160個樣本數據以及均值，如表6所示。

表5 實驗3校準失敗數據

表6 實驗3第三次的Z軸的偏移量樣本數據

4 結語

本文介紹了一種基于ADXL375三軸加速度計的運輸監控中數據的零偏校準技術方法，該方法以較小的偏移值范圍為判斷標準，可實現精確的檢測算法。通過對X、Y、Z軸三個方向的偏移值的連續時間內的測量與判斷，驗證了校準方法與環境條件的可行性和準確性。該方案具有成本低、算法快速高效等優點。