基于双轴加速度传感器的新型角度测量系统设计

　　2.2 ADXL202测角度工作原理

　　ADXL202水平放置时的倾角如图5所示。

　　ADXL202水平放置时，沿X轴和Y轴方向的加速度分量大小与重力的关系为：

　　AX=g.sin(α)，AY=g.sin(β) (3)

　　式中，AX、AY分别代表加速度计的两个轴上的分量输出，g是以重力作为参考的加速度值，而α、β是倾斜角度。由反正弦函数即可以得到倾斜角度为：

　　α=sin-1(AX/g)，β=sin-1(AY/g) (4)

　　图5 ADXL202水平放置时的倾角

　　ADXL202垂直放置时的倾角如图6所示。

　　图6 ADXL202垂直放置时的倾角

　　加速度传感器在竖直初始位置时，沿X轴和Y轴方向的加速度分量大小与重力的关系为：

　　γ=sin-1(AX/g)，δ=sin-1(AY/g) (5)

　　此角度测量仪的工作原理是：ADXL202将加速度信号转换为脉宽占空比输出，STM32F107接收这个数字脉冲信号，利用STM32F107的输入捕获功能来测量脉冲信号的高电平脉宽。然后，计算出高电平脉宽的准确时间T1，由式(2)得到X、Y方向上的加速度分量A(g)。最后，由式(4)(5)分别求出芯片在水平状态或垂直状态下的倾角。

　　3数据处理模块

　　STM32F107采用的是ARM Cortex—M3内核，工作电压为3.3 V，时钟频率达到72 MHz.该芯片系统资源和外围接口丰富，内部集成专用时钟、复位以及电源管理模块，支持多种工作模式。由于STM32F107芯片的性能、成本和功耗方面的特点，选择它作为数据处理模块。更重要的是STM32F107的定时器除了TIM6和TIM7，都有输入捕获功能。

　　3.1输入捕获功能应用于角度测量的工作原理

　　以TIM2定时器实现输入捕获功能为例。TIM2有4个独立通道，通过检测TIM2_CH1通道上的边沿信号，在边沿信号发生跳变(比如上升沿/下降沿)的时候，将当前定时器的值存放到TIM2_CH1的捕获/比较寄存器里面，完成一次捕获。这就是STM32F107所具有的输入捕获功能。

　　将ADXL202的Xout、Yout引脚输出接到STM32F107的34、35引脚(PA0、PA1)上，由STM32F107的原理图可知，34、35引脚控制TIM2_CH1和TIM2_CH2两个通道。用TIM2_CH1来捕获Xout的数字方波信号的高电平脉冲，首先配置此通道的输入捕获为上升沿检测。当检测到上升沿时，进入中断将计数器清零重新开始计数，并配置通道的输入捕获为下降沿捕获;当检测到下降沿时，进入中断读取计数器的值，由计数值和计数频率可得到高电平的脉宽，即T1.然后通过以下两个公式：

　　A(g)=(T1/T2-0.5)/12.5% (6)

　　α=sin-1(Ax/g)，β=sin-1(AY/g) (7)

　　计算得出当前的倾角，之后将结果传输给液晶显示屏显示结果。式中T2=1 ms.此处仅讨论芯片水平放置时的情况，当芯片垂直放置时，用式(5)即可。

　　3.2采集和处理数据的方法

　　ADXL202有两路输出信号Xout、Yout，而且它们是同时工作的，而STM32F107是顺序处理器，一个时间点上只能处理一路信号。我们采用分时复用的方法解决，以1 s为时间点，在这1 s内，STM32F107只采集处理一条通道内的信号和数据，到下一秒时就采集处理另一条通道上的信号和数据。还应该注意一个问题，计数器在检测到上升沿时开始计数，等下降沿到来停止计数的时间内，脉宽过长时计数器会发生溢出，所以必须记录下溢出次数。在最后计算计数器的值时，将溢出次数乘以计数器的宽度加上当前计数器的值，即为总的计数值。