一種高精度寬量程MEMS 組合加速度計設(shè)計與優(yōu)化

徐向陽，張 偉

（北京信息科技大學(xué) 傳感器重點實驗室，北京 100101）

0 引言

MEMS 技術(shù)本質(zhì)上是把電子電路和微機械元件集成到一顆芯片的半導(dǎo)體技術(shù)，自20 世紀(jì)80 年代以來MEMS 技術(shù)越來越受到人們的重視[1]，被應(yīng)用到非常多的領(lǐng)域，在民用國防等領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用。因項目要求-45～85 ℃全溫范圍內(nèi)零偏變化小于5 mg。因此本文以不同的高精度MEMS 加速度計、微控制單元MSC1214、數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片AD5781、MAX6350 為硬件基礎(chǔ)，不僅實現(xiàn)了寬量程范圍內(nèi)的加速度的精確測量輸出，還解決了零位溫度偏移過大的問題。

1 加速度測量原理

每一款加速度計都有設(shè)定好的敏感軸向，可測量在該方向上的加速度。由于本文實驗測試平臺為高精度三軸轉(zhuǎn)臺，固定安裝后的組合加速度計是在水平面內(nèi)繞固定圓心做半徑為r的圓周運動。根據(jù)力學(xué)原理可知，敏感軸向測量的是圓周運動時產(chǎn)生的離心加速度a，具體示意圖如圖1 所示。

圖1 離心加速度示意圖

由物理力學(xué)知識可推導(dǎo)出加速度的矢量表達式：

式中：a為本文組合加速度計所要測量的加速度；ω是組合加速度計繞中軸旋轉(zhuǎn)的角速度；r為加速度計的中心點到中軸圓心的距離。角速度ω可由高精度轉(zhuǎn)臺的工控計算機精確控制，r可由游標(biāo)卡尺測量得到，所以可根據(jù)已知量計算得出加速度值來標(biāo)定本文的組合加速度計。

2 組合加速度計硬件設(shè)計

2.1 MCU

MCU（Microcontroller Unit）即微控制器，是電路系統(tǒng)中起數(shù)據(jù)處理，控制系統(tǒng)運行的核心芯片，俗稱單片機。經(jīng)過綜合考量采樣精度、操作難易程度、信號處理和經(jīng)濟成本等因素，最終選擇TI 公司的MSC1214 作為微控制器，周圍電路如圖2 所示?？捎肒eil C 編程并下載程序進行電路調(diào)試?？稍诟鞣N對體積、功耗、性能有很高要求的測控系統(tǒng)中作為控制和數(shù)據(jù)處理中心。

圖2 MCU 周圍電路

2.2 電路設(shè)計對比

本文設(shè)計的MEMS 組合加速度計，主要由模擬電路和數(shù)字電路兩部分組成。為了達到項目全溫范圍5 mg零偏的要求，對關(guān)鍵芯片會有一定要求，穩(wěn)壓電源關(guān)系著后續(xù)所有元器件的性能，所以穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定性至關(guān)重要。設(shè)計方案中兩個備選的電源穩(wěn)壓芯片為REF195和MAX6350，前者溫度漂移特性為5 ppm/℃，后者為1 ppm/℃?？梢奙AX6350 工作溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定性比REF195 高了5 倍。因此選用MAX6350 作為穩(wěn)壓電源芯片。

在加速度敏感元件的選擇方面，ADXL355 與ADXL1002 是兩款不同量程、不同精度的加速度計，通過對比分析ADXL1002 與ADXL355 發(fā)現(xiàn)后者的0g溫度穩(wěn)定性較好，如表1 所示。

表1 兩款加速度計部分性能對比表

在設(shè)計方案中，電路采用ADXL355 用來測量±2g范圍以內(nèi)的加速度，ADXL1002 用來測量±2g范圍以上的加速度，即小范圍內(nèi)使用精度更高的加速度敏感元件。由于ADXL355 本身已經(jīng)是數(shù)字輸出，可直接使用SPI 的方式與控制器通信，而ADXL1002 為模擬輸出，需經(jīng)過A/D 采樣模/數(shù)轉(zhuǎn)換之后才可進行數(shù)據(jù)處理。

ADXL1002 測量載體加速度后通過MSC1214 內(nèi)部的24 位A/D 采樣轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。由2 個加速度計獲取的數(shù)字信號經(jīng)過MSC1214 處理后，數(shù)字量通過RS 485 轉(zhuǎn)換輸出，模擬量通過AD5781 轉(zhuǎn)換后輸出。電路邏輯如圖3 所示。

圖3 電路邏輯圖

MSC1214 內(nèi)部ADC（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器）精度高達24 位，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量范圍為：-16 777 216～16 777 216，但MSC1214 的內(nèi)部DAC（數(shù)/模轉(zhuǎn)換器）只有16 位的精度，包含數(shù)字量范圍是-65 536～65 536，如果直接使用MSC1214 內(nèi)部的DAC，數(shù)模轉(zhuǎn)換時會丟失很高的精度，損失了分辨率。根據(jù)以上問題，本文提出使用更高精度的數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片AD5781。AD5781 芯片具有18 位的數(shù)模轉(zhuǎn)換精度，覆蓋數(shù)字量為：-262 144～262 144。比MSC1214 內(nèi)部的DAC，分辨率提高了一個數(shù)量級。AD5781 電路圖如圖4 所示。

圖4 AD5781 電路圖

3 軟件程序設(shè)計

在使用精度更高，溫度性能更穩(wěn)定的硬件基礎(chǔ)上，程序算法通過去零偏、卡爾曼濾波等算法實現(xiàn)了高精度、高穩(wěn)定度、寬量程的加速度測量。具體程序流程如下：

步驟1：系統(tǒng)上電初始化；

步驟2：讀取零位初始數(shù)據(jù)并保存，方便后續(xù)去零偏；

步驟3：讀取加速度值，判斷其絕對值是否大于2g，若超過2g，則使用ADXL1002 模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，反之則使用ADXL355 通過SPI 傳來的數(shù)據(jù)；

步驟4：在單片機內(nèi)完成去零偏、濾波去噪等處理；

步驟5：通過AD5781 數(shù)/模轉(zhuǎn)換成模擬量輸出，通過RS 485 串口輸出數(shù)字量；

步驟6：重復(fù)步驟3～步驟5。

4 實驗測試

依托于北京市傳感器重點實驗室實驗平臺，使用高低溫恒溫溫箱測試不同溫度下加速度計的輸出。設(shè)定測量溫度為-45 ℃，20 ℃，85 ℃，具體溫度測試步驟如下：

步驟1：將4 臺待測產(chǎn)品放置在溫箱內(nèi)，可讀取產(chǎn)品模擬量輸出后密閉溫箱；

步驟2：設(shè)定溫箱溫度為-45 ℃，待溫度穩(wěn)定1 h 后讀取電壓表輸出；

步驟3：設(shè)定溫箱溫度為20 ℃，待溫度穩(wěn)定1 h 后讀取電壓表輸出；

步驟4：設(shè)定溫箱溫度為85 ℃，待溫度穩(wěn)定1 h 后讀取電壓表輸出；

步驟5：重復(fù)步驟2～步驟4。

實驗測試時溫箱照片如圖5 所示。

圖5 高低溫恒溫箱

為了驗證系統(tǒng)設(shè)計在不同溫度下零位輸出是否穩(wěn)定，準(zhǔn)備4 臺產(chǎn)品進行實驗。實驗結(jié)果得到表2 和表3。表2 和表3 中高、低溫與常溫變化量分別為高溫和低溫的零位模擬輸出與20 ℃輸出的差值的絕對值。項目要求全溫范圍內(nèi)零偏變化小于5 mg，根據(jù)模擬輸出對應(yīng)標(biāo)度因數(shù)換算成模擬量后為小于0.003 V。

表2 改進前零位溫度數(shù)據(jù) V

表3 改進后零位溫度數(shù)據(jù) V

對比表2 和表3 中數(shù)據(jù)可知，改進前高低溫對常溫的零位最大偏差均方差為0.025 7，改進后為0.001 2，提高了約21.42 倍；改進前零位溫度變化最大為0.062 6 V，改進后為0.002 9 V。由此說明改進方案有效，滿足了項目要求，具有優(yōu)秀的零位溫漂穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

改進了一種新型車載MEMS 加速度計，通過對比實驗分析硬件電路和不同元器件的溫度特性，發(fā)現(xiàn)影響零位溫度特性不穩(wěn)定的主要原因是穩(wěn)壓電源易受溫度影響，MSC1214 內(nèi)部DAC 位數(shù)不夠和加速度計0g附近精度不夠。針對以上問題采用了溫度特性更好的穩(wěn)壓電源、D/A 位數(shù)更多的AD5781 與精度更高的加速度芯片。改進后的零位溫度穩(wěn)定性大幅度提高，模擬輸出零位溫漂小于0.003 V，均方差小于0.001 2，滿足了項目小于5 mg的要求。