MEMS三維角度傳感器設(shè)計研究

0 引言

隨著納米技術(shù)和微機電系統(tǒng)（MEMS，Micro Electm Mechanical svstems）技術(shù)的應(yīng)用，傳感器的尺寸不斷減小、精度不斷提高。此類傳感器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)一般在微米納米量級，基于了微機械微電子技術(shù)多學(xué)科交叉的高尖端技術(shù)，是一種與外界獨立的智能的高科技系統(tǒng)，由光刻和腐蝕技術(shù)得到，具有體積小、集成度高、智能化程度高等特點。經(jīng)過將近四五十年的發(fā)展，這項技術(shù)已經(jīng)被世界所關(guān)注，主要分為傳感MEMS、生物MEMS和光學(xué)MEMS等，其中傳感MEMS是指利用微機械微電子技術(shù)加工的系統(tǒng)配合敏感元件集成MEMS傳感器，主要用于敏感光、聲音、氣體、加速度、濕度等物理量；生物MEMS是指利用微機械微電子技術(shù)生產(chǎn)結(jié)合生物醫(yī)學(xué)技術(shù)制造出微型通道、微型控制閥等微型元件并配合監(jiān)測芯片組成微型的分析儀，主要實現(xiàn)微量樣品檢測、分離、混合等過程；光學(xué)MEMS主要是綜合光電子技術(shù)、微電子微機械技術(shù)，集成出的微光機電系統(tǒng)，主要用于光通訊和顯示投影。MEMS傳感器是采用MEMS技術(shù)的產(chǎn)品中數(shù)量比較龐大的，主要有各種微型的加速度計、微型機械陀螺儀、微型氣體檢測器、微型機械溫度檢測器等。其中，微機械加速度傳感器是繼微機械壓力傳感器之后隨之被人們成熟運用于各種測試環(huán)境的微機械傳感器，其與傳統(tǒng)的加速度傳感器相比具有系統(tǒng)功耗比較低、制作價格比較便宜、高可靠性等特點。微機械加速度傳感器只需要配合簡單的外部放大電路即可應(yīng)用于系統(tǒng)中，非常適合用于角度測試系統(tǒng)的集成，有助于實現(xiàn)小型化和高精度，且相較于傳統(tǒng)傳感器成本低、體積小、可靠性高，可被廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑行業(yè)、工業(yè)自動化等需要角度測量的領(lǐng)域。

1 工作原理

多軸加速度傳感器測量角度即利用多個MEMS加速度傳感器組成測量系統(tǒng)，通過敏感重力加速度在每個加速度傳感器敏感軸上的分量來計算出角度的大小。常見的有雙軸加速度傳感器測量模型（以下簡稱“雙軸模型”）及三軸加速度傳感器測量模型（以下簡稱“三軸模型”）?！半p軸模型”由兩個MEMS加速度傳感器組合實現(xiàn)全范圍角度的測量，但該模型測量傾角為二維傾角，具有一定的局限性，即只能實現(xiàn)俯仰角或者橫滾角其中一個的測量，且安裝精準(zhǔn)度要求高，一旦在安裝時沒有準(zhǔn)確地將兩個加速度傳感器敏感軸組成的平面與傾斜角所在的平面重合，便會引入類似于安裝誤差角的誤差源，直接導(dǎo)致測量精度下降，為此我們可以采用三軸模型來解決此問題。三軸模型由三個敏感軸相互正交的MEMS加速度傳感器組成，安裝時需要將其中Y軸加速度計敏感軸與Z軸加速度計敏感軸組成的平面與需要被測量的傾斜角所在的平面重合，X軸與Y軸組成的平面和X軸與Z軸組成的平面都與傾斜角所在平面相垂直，具體安裝方式如圖1所示。

圖1 三軸加速度傳感器角度模型

由于三軸模型能夠同時對俯仰角和滾轉(zhuǎn)角進(jìn)行測量，所以在實際角度測量過程中，相當(dāng)于在空間上繞三個加速度傳感器敏感軸組成的坐標(biāo)系原點做了一個三維的旋轉(zhuǎn)。三軸模型可以根據(jù)歐拉角法的核心思想（一個坐標(biāo)系可以用另一個參考坐標(biāo)系的三次空間旋轉(zhuǎn)來表示）為基礎(chǔ)，其中的參考坐標(biāo)系就是未經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的放置在水平面上的初始坐標(biāo)系，而放置在被測物體上的角度測量系統(tǒng)所在的坐標(biāo)系為經(jīng)過三維旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)系。如圖1所示，坐標(biāo)系XYZ即為參考坐標(biāo)系，而坐標(biāo)系XYZ為放置在被測物體上的角度測量系統(tǒng)內(nèi)三個加速度傳感器敏感軸所在的坐標(biāo)系，坐標(biāo)系XYZ可以由坐標(biāo)系XYZ通過三次空間旋轉(zhuǎn)來得到，具體步驟表現(xiàn)為：

①首先，將參考坐標(biāo)系繞Z軸旋轉(zhuǎn)δ角，此時坐標(biāo)系的變換為坐標(biāo)系XYZ→坐標(biāo)系XYZ。

②其次，將參考坐標(biāo)系繞Y軸旋轉(zhuǎn)θ角，此時坐標(biāo)系的變換為坐標(biāo)系XYZ→坐標(biāo)系XYZ。

③最后，將參考坐標(biāo)系繞X軸旋轉(zhuǎn)φ角，此時坐標(biāo)系的變換為坐標(biāo)系XYZ→坐標(biāo)系XYZ。

根據(jù)三軸模型的計算方法，放置在被測斜面上的坐標(biāo)系可以由初始水平面坐標(biāo)系通過3次空間旋轉(zhuǎn)來得到，A、A、A分別為角度測量系統(tǒng)內(nèi)部的三個MEMS加速度傳感器敏感到加速度的大小；θ角和φ角分別為角度測量系統(tǒng)的橫滾角和俯仰角，即是傾斜面的兩個傾角。三個正交的MEMS加速度傳感器組成的三軸模型能夠?qū)崿F(xiàn)全范圍角度的測量，而且能夠減少因角度測量系統(tǒng)安裝誤差帶來的影響，所以為了提高測量精度，本文采用三軸模型設(shè)計一款MEMS三維角度傳感器來實現(xiàn)角度的寬范圍、高精度測量。（圖2）

圖2 俯仰角及滾轉(zhuǎn)角示意圖

2 技術(shù)方案

根據(jù)對MEMS 三維角度傳感器樣品的分析，確定了自制傳感器的性能指標(biāo)，明確了從結(jié)構(gòu)設(shè)計、電路設(shè)計、軟件開發(fā)至組裝測試的研發(fā)流程，具體流程如圖3所示。

圖3 MEMS三維角度傳感器技術(shù)方案

2.1 電路設(shè)計

2.1.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

硬件電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，由電源模塊、傳感器模塊、運算處理模塊和數(shù)據(jù)通信模塊組成，主要實現(xiàn)角度傳感器數(shù)據(jù)的采集、調(diào)用、運算和輸出。采集的數(shù)據(jù)通過信號調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，同步傳輸給主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合和解算，然后將解算完成的數(shù)據(jù)通過數(shù)字串口傳輸給上位機進(jìn)行角度的實時顯示，外部配套了數(shù)據(jù)實時監(jiān)測軟件，對串口數(shù)據(jù)進(jìn)行實時顯示。

圖4 MEMS三維角度傳感器電路結(jié)構(gòu)框圖

2.1.2 核心模塊設(shè)計

確定核心器件的規(guī)格型號，逐一完成各個功能模塊的電路設(shè)計。三維角度傳感器電路主要由MEMS傳感器SJ901S、運算處理器STM32F103C8T6、串口通信模塊MAX3485ESA以及電源模塊等組成。

2.1.2 .1 MEMS傳感器模塊

負(fù)責(zé)角度信號的采集及信號調(diào)理等功能。芯片采用國產(chǎn)維特公司的MEMS三維角度感應(yīng)芯片JY901S，該傳感器有很高的集成度，主要由加速度計、信號調(diào)理器和內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換等模塊組成，采用卡爾曼濾波融合算法，具有低噪聲、高耐沖擊性等特點。工作溫度-40~125℃，供電電壓為3.3V，測量范圍±180℃。傳感器可根據(jù)算法的定義情況（角度解算方法、信號調(diào)理算法、濾波算法），搭建合理的外圍電路，芯片集成度高，外圍電路簡單方便。電路原理圖如圖5。

圖5 MEMS角度傳感器電路圖

2.1.2 .2 運算處理器模塊

微控制器是信號運算處理的核心部件。主要負(fù)責(zé)對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、解算、誤差修正，最終得到高精度的三維角度數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)一部分通過串口傳輸給上位機進(jìn)行角度實時顯示，另一部分傳輸至數(shù)據(jù)存儲模塊以便隨時調(diào)用。

該控制器選用意法半導(dǎo)體單片機芯片STM32F103C8T6。它是一款基于32位Cortex-M3內(nèi)核增強型嵌入式系列CPU，主頻達(dá)到72MHz，全雙工模式下通信速度可達(dá)18MIPS，寬電壓供電范圍，在2.0~3.6V之間，工作溫度-40~105℃，并且具有豐富的外設(shè)，包括看門狗、定時器、PWM、ADC、DAC、SPI以及USART和方波輸出等。功能全面，內(nèi)嵌416MHz晶體振蕩器，擁有12通道DMA控制器，可完成數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換、角度解算等，且有51個多功能雙向I/O口，能夠滿足設(shè)計需要，其電路原理圖如圖6。

圖6 運算處理器

2.1.2 .3 數(shù)據(jù)通信模塊

由于485串行通信協(xié)議具有接口簡單、抗干擾能力強、可多機并聯(lián)且傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點，故傳感器采用485通信協(xié)議，接口收發(fā)芯片采用MAX3485，該芯片具有低功耗、抗干擾能力強等特點，傳輸速率可達(dá)2.5Mbps。電路圖如圖7。

圖7 MAX3485串行通信電路圖

2.1.2 .4 電源模塊設(shè)計

電源系統(tǒng)包括兩部分，一個降壓穩(wěn)壓模塊及3.3V電源供電模塊。系統(tǒng)電路使用二級降壓結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用分級式壓降的方式，即通過轉(zhuǎn)換器將輸入電壓9~35V轉(zhuǎn)換為一個5V電壓，然后采用另一個電源模塊將供電電壓5V降為3.3V，為MEMS角度傳感器模塊等功能塊提供穩(wěn)定的電壓。

前置電源轉(zhuǎn)換芯片只需要給后級轉(zhuǎn)換電路供電，這樣可以減少電源電壓波動對后續(xù)電路的影響。該芯片采用德州儀器生產(chǎn)的低功耗、低壓差的線性穩(wěn)壓器LMR14006YDDCR，休眠模式電流低至28uA，可以將外接的4V~40V電壓穩(wěn)定在5V，電壓輸入端設(shè)計了二極管和保險絲，防止電源反接或電流超標(biāo)造成內(nèi)部核心器件的損壞。電路圖如圖8。

圖8 電源36V轉(zhuǎn)5V電路圖

電源轉(zhuǎn)換芯片采用低壓差穩(wěn)壓器MIC5219-3.3BM5，將一級電壓轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換出的5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V。輸出電壓為3.267~3.333V，電流在900~1500mA，靜態(tài)電流（最大）為10mA，且具有熱過載保護(hù)和短路保護(hù)功能，在電源的輸入和輸出端分別采用電容濾波，增加電源穩(wěn)定性。電路圖如圖9。

圖9 電源5V轉(zhuǎn)3.3V電路圖

2.2 軟件開發(fā)

2.2.1 軟件設(shè)計

根據(jù)電路原理和產(chǎn)品性能指標(biāo)，對所需編寫的程序進(jìn)行功能模塊分解，確定軟件系統(tǒng)設(shè)計方案，程序框圖如圖10所示。程序由I/O接口初始化、數(shù)據(jù)采集、MEMS模塊、數(shù)據(jù)處理、串口通信等編寫的功能函數(shù)組成，最終可在與上位機進(jìn)行傳感器角度值實時顯示。

圖10 程序框圖

2.2.2 程序編寫

完成I/O接口初始化、RS485通信、MEMS模塊驅(qū)動、數(shù)據(jù)接收、角度轉(zhuǎn)換等程序編寫及函數(shù)模塊化處理，修正程序編譯中的BUG。配合電路調(diào)試進(jìn)行問題反饋實現(xiàn)所需功能，可通過上位機軟件進(jìn)行三軸角度顯示。（圖11）

圖11 部分程序代碼

3 產(chǎn)品測試

3.1 測試方法

根據(jù)產(chǎn)品測試需求，搭建的角度測試系統(tǒng)，在完成傳感器組裝后進(jìn)行三軸角度檢測。記錄、處理測試數(shù)據(jù)，判斷自制MEMS三維角度傳感器是否滿足技術(shù)指標(biāo)要求，具體過程如圖12所示。

圖12 MEMS三維角度傳感器測試系統(tǒng)框圖

將待測MEMS三維角度傳感器安裝到測試系統(tǒng)上，完成傳感器與上位機間的電氣連接，包擴電源與RS485通信。利用上位機軟件，驅(qū)動控制器控制轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，測試傳感器角度范圍是否達(dá)到Y(jié)軸±90°，X軸、Z軸±180°。以轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角度為標(biāo)準(zhǔn)，測量角度范圍不同角度6次，并計算誤差，判斷傳感器X軸、Y軸精度≤0.05°，Z軸精度≤1°。

3.2 測試結(jié)果

根據(jù)測試方法對MEMS三維角度傳感器進(jìn)行檢測，結(jié)果如表1及表2所示。分別記錄X/Z軸±180°內(nèi)7個角度點數(shù)據(jù)（0°、±60°、±120°、±180°）及Y軸±90°內(nèi)7個角度點數(shù)據(jù)（0°、±30°、±60°、±90°），由比較發(fā)得出該傳感器的角度最大誤差，通過計算得到產(chǎn)品精度。最終，傳感器在采用＋24V供電情況下，X軸角度最大誤差為0.044°，Y軸角度最大誤差為0.043°，Z軸角度最大誤差為0.785°。經(jīng)過計算X/Y軸精度滿足≤0.05°，Z軸精度滿足≤1°。

表1 X/Z軸檢測數(shù)據(jù)記錄

表2 Y軸檢測數(shù)據(jù)記錄

4 結(jié)論

本文中已成功開發(fā)出MEMS三維角度傳感器，可快速實現(xiàn)三軸角度實時監(jiān)測，并將角度信號轉(zhuǎn)化為高精度的數(shù)字信號，便于智能化應(yīng)用，比傳統(tǒng)的傳感器體積小、重量輕、精度高、適用電壓范圍寬、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強、接口簡單使用方便、應(yīng)用范圍廣、性價比高等特點?？杀粡V泛應(yīng)用于航空航天、建筑行業(yè)、工業(yè)自動化等需要角度測量的領(lǐng)域。