CRS10陀螺仪介绍和其在角度测量中的应用-设计应用

精品文档-下载后可编辑CRS10陀螺仪介绍和其在角度测量中的应用-设计应用近年来，微机电传感器（MEMS）惯性传感器发展迅速并广泛应用。作为一种重要的MEMS，微机电传感器由微型陀螺仪、专用集成电路（ASIC）、微型加速度计、嵌入式微处理器及相应的软件组成，输出可以包含角速度、加速度、姿态等多种信息，并且其体积小、集成度高、使用方便，在军民等领域都得到广泛应用。

由SiliconSENSING公司的生产的CRS10是一款高精度的数字式输出的MEMS单轴陀螺仪，输出传感器运动过程的角速度和传感器工作的环境温度。

在转角测量方面，传统的方法是使用角度传感器，并且测量起始时间的角度值，然后相比较得到转过的角度。在这里可以应用CRS10进行测量。

1CRS10功能介绍及使用

CRSl0采用23mmxl7mmxl0mm封装。无论是垂直或可用水平支架可表面安装在PCB上。其体积小，集成度高，易于安装。可广泛应用于汽车偏航率测定、制导和控制、平台稳定、图像稳定、机器人和导航等领域。

CRSl0是一款高精度的MEMS单轴陀螺仪，标准5V电压，集成度高，能在较宽的温度范围内工作，高带宽和宽泛的频率范围，极低的角速率随机漂移，SPI数据输出和模拟端口输出2种输出方式满足各种应用不同需求。在CRSl0的默认配置是为75Hz带宽，±375（°）／s角速率测量访问。用户可根据需要，设置其角速率测量范围和带宽。例如可设置±75（°）／s的测量范围，也可设置带宽5、10、25、40、50、60和100Hz。

1.1CRSl0功能介绍

图1（a）和图l（b）分别是CRSl0的实物图和功能框图。由图l（b）可知，在CRSl0中，首先由MEMS陀螺仪感知外界信号，并将信号输出给数据采集专用集成电路，信号经过处理后传给MCU（微控制器）。MCU得到数据后将其存入数据寄存器。外部SPI通过SPI总线主控器件向CRSl0发送读写指令或控制指令。CRSl0内部设置有控制寄存器，寄存器都有默认的值，通过对控制寄存器的修改写操作，可以改变角速率测量范围频率和输出带宽等方面的控制效果。

CLK_N，SPI_IN，SPI_OUT和引脚是传感器的SPI接口，引脚是传感器的复位引脚。A-NL_OUT是角速率的模拟输出端口。CRSl0测量的是平行于PCB平面的角速率，而不能测量其他地方的角速度，这点在使用时要尤其注意。

CRSl0的数字输出部分还包含其工作环境的温度值。工作在没有补偿的条件下时，如果陀螺仪性能不佳，可以应用这个进行温度补偿，来达到较好的效果

1.2CRS10使用方法

1.2.1CRS1O硬件建接

CRSl0的SPI接口与各种微处理器SPI主控制器件接线如图2所示。SPI总线的时钟频率可达到2.5MHz，建议采用1MHz。

1.2.2CRSl0数据读写与数据处理

通过SPI总线，可以对CRSl0进行读写操作。可以根据设计要求设置控制寄存器的值达到控制效果，也可以使用寄存器的默认设置。控制指令由1个字节状态位，4个字节的数据位和1个字节的校验位共6个字节组成。向CRSl0写控制指令时，只要将指令串通过SPI总线发送给CRSl0即可。

读取CRSl0输出的数据时，从总线上读取到的是6个字节的数据，依次是：1个字节的状态位，2个字节的角速率数据位，2个字节的温度数据位和1个字节的校验位。

角速率值（RATE_OUT）和温度值（TEMP_OUT）输出的数据格式均为16位二进制的补码，可以使用式（1）进行解算：

式中，DATA_VALUE为寄存器的输出数据，VALUE为转换后实际的测量量的值，Scale为寄存器值值代表的单位，n为对应寄存器的数据位数。

在这里有一个小技巧，由于数据是16位二进制补码类型，可以使用数据类型为整型（int）存储数据，这样亦可以省略其中的数据处理过程。

2角速率和转角测量系统设计

这里给出了基于LMS8962与CRSl0的倾角测量系统的原理与设计。

2.1转角测量原理

CRSl0是测量其所在PCB平面的角速率。根据运动学原理，角度等于角速率在时间上的积分，因此，可以得到转角与角速率的关系：

式中，θ是当前角度，θo是运动初始时的初始转角，ω为角速率，to为初始时刻，t为当前时刻。

在数字系统中，采用其离散型方程：

式中，θ、θo、ω的含义与式（2）相同，△t表示采样数据的时间间隔。

根据上述原理，利用CRSl0设计测量转角系统。只要保证采样频率够快，转角平台稳定，噪声较小即可。

2.2硬件电路设计

使用LMS8962与CRSl0搭建成倾角测量系统，LMS8962是一款高性能的32位Cortex-M3内核微处理器。它有丰富的片内外设，如模数转换（ADC），PWM，CAN和串行总线（SSI）等，功能强大，易于集成。

LMS8962与CRSl0组成的角速率和转角测量系统硬件设计框图如图3所示。LMS8962通过SSI总线与CRSIO进行通信。将采集到的数据存储到SD卡中，将解算得到的结果实时在液晶显示模块上显示。SD卡的数据存储为将来的数据分析提供一个很好的数据采集平台。SSI是串行通信总线，它兼容SPI总线。

2.3软件设计

图4是系统的软件设计流程。程序启动进入系统初始化，接下来向CRSl0写控制指令，以设置CRSl0工作在需求的模式下，然后读取返回的数据并进行解算，通过存储数据到SD卡中并在液晶模块中显示。

3试验结果

为了验证系统测量角速率和转角的效果，采用姿态与航向参考系统（attitudeandheadingreferencesystem）AHRS500GA-226传感器作为参考进行测试。AHRS500GA-226是CrossbowTechnology公司的一款高精度的IMU。将两系统固定安装在同一平台上，使CRSl0测量的角速率平面与AHRS的YAW平面（航向角速率和航向角测量平面）相一致。比较两个系统输出的角速率和角度数据，得到如图5所示的结果。

由图中5可看出，CRSl0所测量的角速率与AHRS测量得到的角速率运动的趋势一致，AHRS的结果比较平滑。CRSl0有噪声，局部陡峭。在静止和小角速率运动时两者测量结果基本重合，误差在0.1（°）／s左右。在大角度运动和急速转动时，两者的重合效果不佳，误差较大，有达到7（°）／s。这是由于AHRS得到的数据是经过滤波和数据融合处理的。角度测量的趋势一致，在局部重合的比较好。但角度测量的误差比较大。原因在于本文使用的角度计算方法：1）使用的是原始的角速率数据，角速率没有经过滤波处理，噪声较大，积分叠加到角度上得到的偏差亦较大；2）使用的是简单的积分求角度，没有补偿，没有平滑。综上可知，角速率测量效果比较好，角度测量可行，但算法有待提高。

4结论

基于LMS8962ARM微处理器与CRSl0陀螺仪的角速率与转角测量系统角速率测量误