MEMS加速度计在线快速标定系统设计与实现

刘 伟， 魏婷婷， 杨清山

(贵州电子科技职业学院 电气工程系，贵州 贵阳 550025)

0 引 言

微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)加速度计能将外界加速度信号转换成电信号的器件，在航空航天、汽车工业、消费电子、医疗仪器以及军事等领域中得到了广泛的应用。在使用MEMS加速度计之前，为了确保MEMS加速度计精度，需要将MEMS加速度计的相关参数进行标定补偿，然而就目前的MEMS加速度计的标定测试方法而言，主要重力场下的转台标定实验获得并采集存储加计的输出，利用MATLAB软件进行处理得到该加速度计的标定参数，但需要操作人员在一次实验中重复上电、读取和擦除Flash后进行数据处理，效率较低。因此设计一种对MEMS加计的快速标定系统，通过硬、软件设计实现加计标定参数和曲线的快速获取，避免上述的重复上电、读擦

后进行数据处理，有效地提高了MEMS加速度传感器标定的效率。

1 系统组成与原理

如图1所示为快速标定系统的组成框图，主要是将待标定MEMS加速度计安装于转台台面之上，通过控制转台在位置模式下，采用四位置法对单轴加速度计进行快速标定[1]。

微控制器采集不同位置下得到的数据利用上位机进行快速在线拟合，进而得到相应的标定数据，即MEMS加速度计的标度因数和零点电压。

单轴MEMS加速度计的静态输出数学模型[2]

(1)

控制上位机设置使高精度转台处于位置工作模式下，当转台转过一个角度θ时，则有a1=sinθ,a0=cosθ;由于转台的转动角度精度达到(0.001°)，则可以忽略转台转角误差和交叉耦合，此时加计的输出模型可简化为

U=S0+S1sinθ+S2sin2θ+σ

(2)

二次项系数的数量级通常在10-4左右，对MEMS加速度计的输出影响可忽略不计，随机误差取得到最终MEMS加速度计与转台转动角度之间的输出线性模型

U=S0+S1sinθ

(3)

快速标定系统设置的转台角度的位置为:0°→90°→180°→270°→360°，在每个角度上MEMS加速度计所对应敏感到的重力加速度值分别为:0gn→1gn→0gn→-1gn→0gn。可以得到单轴标定的零点电压S0和标度因数S1

S0=(U0°+U180°+U360°)/3,S1=(U90°+U270°)/2

(4)

利用LabVIEW软件就可以对数据进行图像拟合后，快速得到待标定加速度计的零点电压和标度因数值[3～6]。

2 标定系统硬件

标定系统的硬件主要通过微控制器控制24位模/数转换器对待标定MEMS加速度计进行数据采集。微控制器选用STM32F405RG单片机，其内部采用精简指令 RISC内核，配置20 MHz晶振的高速主频，可以通过锁相环对系统时钟进行倍频，能够完成多路加速度计的数据采集、将数据进行编帧再利用串口发送给上位机的标定软件，如图2所示为主控STM32F405RG的硬件配置原理图[7]。

图2 主控配置原理

模/数转换器选用美国TI公司ADS1255芯片，该ADC芯片具有高精度、功耗低，内部集成多路输入模拟开关、可编程增益放大器和数字滤波器。三路模拟输入端，通过SPI串行通信接口与主控进行通信。

图3为ADS1255配置原理图，ADS1255芯片工作在四线SPI 串口通信模式下，主控制器STM32通过串口写入命令到ADS1255寄存器中控制ADC进行加速度计输出采样。在SPI串口通信过程中芯片的CS端口需要置为低电平，开始将命令写入DIN端，开始模/数转换，当一次A/D转换完成后，SCLK在下降沿时通过DOUT端口读取出ADS1255转换完成的采集电压数据的数字量，送入主控内部运算器中进行数据处理、将数据以帧格式发送给上位机的标定软件进一步处理。

图3 ADS1255配置原理

3 标定系统软件

标定系统上位机软件是利用美国NI公司的LabVIEW软件编写开发，所设计的加速度计快速标定系统组成，主要包括VISA串口通信，实时采集电压曲线绘制，接收数据分段截取快速拟合，标定参数显示及原始数据保存。

如图4所示为VISA串口通信配置，在I/O口数据缓冲区开辟出4 096字节的数据缓存，可以有效地避免数据溢出。

图4 VISA串口通信配置

下位机将打包好的数据以帧格式上传至上位机软件，每一帧格式包含数据帧头、数据长度、有效数据位以及校验和，以此保证上传的每一帧数据的完整性。系统上位机软件首先对数据的帧头进行判断，再对数据长度与定义字节数进行对比，读取出一帧数据进行和校验，最后软件将有效的数据截取出来送入数据拟合部分[8]。

转台按在设置的旋转一周后，上位机采集到-1，0，1gn所对应的平均电压值，选取LabVIEW中的线性拟合函数，拟合出不同加速度值与加速度计的输出电压之间的数学关系。

线性拟合函数VI通过循环调用广义最小二乘方法和Levenberg-Marquardt方法使实验数据拟合为下列等式代表的直线方程一般式f(x)=ax+b,其中，a为MEMS加速度计标度因数，b为加速度计的零位电压。线性拟合VI将得到观测点(X,Y)的最佳拟合标定数据a和b的值。快速得到所标定的参数，将标度因数和加计的零位电压直接显示出来。

所设计快速标定系统上位机，快速线性拟合部分程序如图5所示。

图5 快速拟合部分

4 系统验证测试

系统验证测试具体步骤如下:首先将待标定的MEMS加速度计安装于高精度转台台面中心，此时该MEMS加速度计敏感轴的轴向垂直于转台台面，转台控制上位机设置转台工作在位置模式下并设置转台旋转组态；然后将标定下位机先上电3 min，等待采集下位机系统工作稳定后，控制转台中框依次转动0°→90°→180°→270°→360°，并在每个旋转角度上保持10 s，此时下位机开始采集MEMS加速度计的输出电压值，加速度计依次敏感到的重力加速度分别为0gn→1gn→0gn→-1gn→0gn；完成一次标定(旋转完一周)时，标定上位机就直接获取到每个组态的平均电压输出，直接传入快速标定上位机软件得到所需要的标定参数值。

通过标定实验得到的加速度计的原始输出信号，如图6(a)所示。从图6(a)原始数据输出看出，0gn时加速度计的输出在2.5V左右，1gn时的输出为3.5 V左右，-1gn时的输出在1.3V左右。利用MATLAB软件对所采集数据进行拟合得到的拟合曲线和标定参数，如图6(b)所示拟合曲线的拟合参数。

图6 实验结果

通过MATLAB将采集数据进行拟合，得到所标定加速度计的零位电压和标度因数分别为2.457 7 V和1.1062V/gn。

为验证所设计系统的准确性，再利用所设计的快速标定系统进行相同实验，从上位机上拟合曲线，得到拟合方程，看出标定参数和拟合直线与MATLAB进行数据拟合数据一致[9]。

5 结 论

本文所设计的在线快速标定系统通过在线数据采集和快速拟合得到所求标定参数，经过对比验证实验，验证了该标定系统的正确性，有效性，在提高标定效率的同时也保证了标定参数的精度，具有一定的工程实际运用价值。