双轴加速度传感器在车载电子罗盘应用中的抗干扰设计

引言

随着定位导航技术的飞速发展和日臻成熟，电子罗盘在相关领域得到了越来越广泛的应用。车载电子罗盘的功能是帮助用户确定车辆行驶方向，精确显示方位角度并提供正确的操作指示，因此导航的精确程度成为衡量系统性能优劣的重要指标。本文介绍的基于AMR磁阻传感器和加速度传感器ADXL202的电子罗盘，是捷联式惯性导航系统中的一种。在电子罗盘系统中，单片机VRS51L3074完成对加速度传感器输出信号脉宽和周期的计数，获得车辆瞬时加速度值，然后利用三角函数关系计算出当前位置相对于已知参考位置之间的横滚和俯仰角度，进行姿态解算，得到车辆的前进方向和方位角。但是汽车电磁环境复杂，特别是汽车的震动和瞬时功率变化会对ADXL202输出的占空比信号产生尖峰脉冲干扰，严重影响计数的精度。因此，抑制脉冲干扰在提高计数精度、增强系统性能方面显得尤为重要。

1 ADXL202工作原理

ADXL202传感器是由震荡器，X、Y方向传感器，相位检波电路以及占空比调制器组成，具有数字输出接口和模拟电压信号输出接口。X、Y方向传感器是2 个相互正交的加速度传感器。ADXL202相对于地平面方向变化时，X、Y方向对应不同的输出，从而可以测量动态变化的加速度和恒定的加速度。传感器的后级连相位检波器，主要是用来修正信号，并对信号的方向作出判断。检波器输出的信号通过1个32 kΩ的电阻来驱动占空比调制器，设计时可以通过在XFILT和YFILT引脚外接电容CX和CY来改变带宽。同时，外接电容对于滤除噪声和抑制零点漂移都有一定的效果。

信号通过低通滤波器之后，占空比调制器把信号转换为数字信号输出。通过T2脚的外接电阻可以改变T2的周期T2(1～10 ms)，这就方便在精度要求不同的场合下使用。输出的占空比信号通过计数器可以计算出占空比。加速度的计算可以通过公式(1)得到。

当加速度为Og时，输出信号的占空比为50%;灵敏度每1g所引起的脉宽占空比变化12.5%。在应用中Og时的失调和系统误差影响实际输出值。则根据测得的加速度值即可求得X和Y轴的倾角：

当加速度计被定向，那么它的X和Y轴就和地球表面平行可用来作为具有翻滚和倾斜两个轴的双轴斜度传感器，被测物体的俯仰角记为γ和横滚角β。将磁阻传感器的3个敏感轴沿载体的3个坐标轴安装，分别测量地磁场磁感应强度H在载体坐标系3个坐标上的投影分量(HX，HY，HZ)，然后利用俯仰角和横滚角进行姿态解算就可以得到电子罗盘的方位角。

2 ADXL202的抗干扰设计思想

根据ADXL202使用手册知，传感器与微处理器共用电源时会引起干扰，因此在电路设计时采用了抑制干扰的解决方案。设计时采用1个0.1μF的电容和1 个小于或等于100 Ω的电阻来抑制干扰。实验测试显示，仍然存在电路其他部分电源和传感器电源互相影响的情况，干扰抑制效果并不理想。经过反复试验，传感器采用独立的电源供电，并且在布线时把器件和调理信号的电阻、电容放在1块单独的板上或用粗地线将其围在线路板的某一区域，在实验室条件下得到较好的干扰抑制效果。但实际应用中，汽车的震动和瞬时功率变化对ADXL 202E输出的占空比信号产生尖峰脉冲干扰(脉宽约1～2 ms)并不能消除，这就需要对其更多的处理。抑制和消除尖峰脉冲干扰影响的措施较多，常见的有硬件方法和软件方法，或两者相结合。考虑到电子罗盘整体体积和磁阻传感器信号对干扰较为敏感，如果采用高效的硬件滤波，系统电路将变得非常庞大;使用简易的硬件电路，滤波效果又不彻底。实际上，还可以借助于微处理器进行软件滤波消除尖峰脉冲干扰。软件滤波算法的采用，无疑会在简化电路结构的同时使系统的硬件资源得到更加充分的利用，并达到降低产品设计成本的要求。

ADXL202E输出的信号占空比调节(DCM)周期由外接电阻决定，一般低于1 kHz，因此计数输入端高低电平持续时间长达几ms甚至几十ms，可见传感器输出的正常计数信号高、低电平变化较慢;而控制器脉宽计数时间小于1μs，干扰尖峰脉冲是突变的，所以能把干扰从正常计数中辨别出来。因此，使用软件滤波来消除尖峰脉冲干扰是可行的。

VRS51L3074单片机是由美国Ramtron(瑞创)公司推出的8位单片机家族VRS51L3xxx系列的成员。VRS51L3074提供了2个与定时器O和1关连的独立的脉宽计数器(PWC)模块，用户可通过对PWC模块和定时器的配置，灵活地控制定时器启动或停止计数，从而方便地实现对 ADXL202E输出的脉宽和周期的计数。

从单片机计数输入端，观察信号波形。为便于分析，在高、低电平段设置了几个干扰尖峰脉冲，分别标示为Section A和Section C，占空比信号下降沿、上升沿分别标示为Section B和Section D。单片机按计数时钟周期性采样，采样值中“1”表示采到的是高电平，“O”表示低电平。I/O口采样占空比信号输出端口中状态，利用1个字节型变量R来动态存储采样值。控制器每采样1次，变量R中数据向左移1个二进制位，R原最高位电平状态被移除，而当前时刻新的采样状态保存到R的最低位，变量R被更新了，状态存储器R中保存着最近8个采样周期的采样值。

在图1中，从正常下降沿过程(Section B)，可以看到变量R中的数据经历了从各位全为1，到1、O共存，再变化到全为O的过程;然而，在高电平段的干扰部分(Section A)，变量R经历了从全为1，到1、0混合，再回到全为l的过程。类似地，正常上升沿(Section D)变量R经历了各位全为0，到O、1共存，再变化到全为1的状态变化过程;在低电平段的干扰部分(Section C)，变量R经历了采样状态从全为O，到O、1混合，再回到全为O的过程。通过判断此4种情况下变量R中数据的不同变化过程，可以达到从正常变化中辨别出干扰的目的。这就是本设计所采用的软件滤波抗干扰方法的基本思想。