基于NXPLPC1788芯片Cortex-M3内核.PDF

ARM与MEMS器件于微惯性测量装置设计与应用 在仿生推进机理的研究中，精确测量鱼类尾鳍拍动参数对于鱼类仿生推进机理研究及工程应 用具有重要的意义；然而，目前研究者大多采用分析高速摄像机拍摄的图像获得参数的观测 方法。这种方法受到环境与设备的限制，结果精确度较差。本设计是一种基于MEMS器件的 生物运动微惯性测量装置。利用该装置实现了对SPC-III机器鱼尾鳍拍动参数的精确测量， 为国内首次利用MEMS器件进行的活体鱼尾鳍拍动参数测量实验打下了基础，为机器鱼仿生 推进设计理论提供支撑。 11 11 设计要求和系统结构 根据活体鱼类的生物特征和实验本身的特点，微惯性测量装置应该满足下列设计要求：体积 小，质量轻，功耗低，采集频率和采集精度高，防水密封性能良好。为了实现这些需求，微 惯性测量装置的硬件由两部分组成：①微处理器单元；②微惯性传感器单元。微处理器单元 主要包括微处理器、A／D转换芯片和Flash。微处理器作为核心单元，通过SPIl口连接A ／D转换芯片完成数据采集，通过SPIO口连接Flash完成数据存储，通过串口与上位机通 信。微惯性传感器单元是由MEMS加速度计和MEMS陀螺所组成的，完成加速度与角速度的原 始信息采集任务。采集的原始信息经过A／D转换处理后，写入Flash芯片中保存，或通过 串口直接发送至上位机进行处理。系统原理简图如图l所示。 22 22 微处理器单元 2 1 LPC2129 2 1 LPC2129 22．11 LLPPC理器 本装置既要求微处理器具有一定的处理能力又要求功耗低、体积小，所以选用Philips公司 的LPC2129。LPC2129基于一个支持实时仿真和跟踪的16／32位ARM7TDMI-SCPU，并带有16KB 片内SRAM和256KB嵌入的高速片内Flash存储器。LPC2129具有LQFP64的较小封装、极低的 功耗、多个32位定时器、4路10位ADC、9个外部中断、最多可达46个GPIO等。 在LPC2129的软件设计上，未采用ARM上常用的uC／OS-II或uClinux操作系统，而是使用 前后台式的定时中断结构。这种前后台式的定时中断结构更适于实时性要求很高的控制系 统，可以保证控制回路延迟均在一个设计确定的范围内，并且各个模块问优先级关系十分明 确，使用起来较为方便。 2 2 A D ADSl256 2 2 A D ADSl256 22．22 AA／DD转换采集芯片AADDSSll225566 A／D转换芯片采用美国TI公司的24位串行模／数转换器ADSl256。其可提供高达23位的无 噪声精度，数据速率最高可达30ksps。ADSl256采用四线制SPI通信方式，与LPC2129的SPIl 接口相连，可以灵活方便地进行通信。 ADS1256采用多通道循环采集的工作方式。在数据准备信号DRDY提示可以提取数据后，首先 将当前的采集通道变为下一个采集通道，开始新的采集转换，然后再马上提取A／D转换寄 存器中的数据(这时的数据其实是上一轮转换好的数据)。这种方式在实现提取数据的同时进 行新数据的采集转换，是一种高效率的工作方式。 2 3 Flash AT45DB041B 2 3 Flash AT45DB041B 22．33 FFllaasshh芯片AATT4455DDBB004411BB Flashl选用Atmel公司的可编程串行存取芯片AT45DB041B。主存储单元分为2048页，每页 264字节；具有2个264字节静态随机存储器作为数据缓冲器。 AT45DB04lB与LPC2129的SPI0接口相连，采集的数据首先写入Flash的缓冲区2中，再将缓 冲区里的数据写入Flash的主存页面进行保存，待离线的数据分析处理。 33 33 微惯性传感器单元 微惯性测量装置的MEMS传感器单元由微机械陀螺和微加速度计组成，可精确测量载体的一 个轴向角速度信息和一个轴向加速度信息。 3.1 ADXRS300 3.1 ADXRS300 33..11 AADDXXRRSS330000单角速度陀螺仪 ADXRS300是美国模拟器件公司生产的基于MEMS技术的角速度传感器。ADXRS300采用+5V电 源供电，测量偏航角速度的范围是±300rad／s，灵敏度为5mV／(rad·s-1)，零位输出电压为 2．5V。通过外部电阻和电容可分别设定测量角速度的范围、带宽及零位输出电压。采用 BGA-32封装技术，外围尺寸仅为7mm×7mm×3mm，重量仅