导言
传统的姿势丈量因为选用高精度陀螺仪和加速度计等姿势传感器，体积巨大而且价格昂贵。当时MEMS产品因其体积小、价格低、功耗低，被称为是传统的惯性丈量组合的一次严重变革，越来越多地运用于姿势丈量运用中。而且，跟着MEMS技能的迅速发展以及向各个学科范畴的浸透，它的各方面功用如精度、鲁棒性、动态呼应等都得到了巨大的进步。
跟着嵌入式技能的不断发展，以运用为中心的嵌入式体系因为体积小、功耗低、可靠性高、可削减性好、软硬件集成度高，现已进入到咱们日常日子的各个方面，在各行各业中都得到了运用。而嵌入式与MEMS的结合使姿势丈量体系满意了低成本、低功耗、微型化的运用需求，给消费电子范畴带来了巨大进步，如智能手机中的重力感应与指南针，一起给航空、工业、轿车、医疗、环境监控、通讯等范畴带来了十分宽广的运用远景。
本文选用三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计及三轴MEMS电子罗盘与Freescale单片机MC9S08QE8组成一个嵌入式姿势丈量体系。陀螺仪因为动态功用好，用于获取实时姿势信息。但陀螺仪因为会发生偏移，而加速度计与电子罗盘因其静态功用比较优胜，所以用来对陀螺仪姿势核算过程中的差错进行批改。
1 体系组成和结构
本体系首要由单轴陀螺仪LY530AL、双轴陀螺仪LPR530AL、三轴MEMS加速度计ADXL345、三轴MEMS电子罗盘HMC5843及单片机MC9S08QE8组成。其间X、Y方向的双轴陀螺仪与Z轴方向的单轴陀螺仪组合成三轴陀螺仪，它们的信号由单片机MC9S08QE8的ADC模块进行收集，而加速度信号和电子罗盘信号则经过I2C总线传送到单片机。这9路信号在单片机中首要经过前期的处理，而后由单片机中的姿势核算算法程序获取3个姿势角信息，这3个信息经过单片机MC9S08QE8的串口模块传送到上位机进行演示，嵌入式姿势丈量体系结构框图如图1所示。
1．1 三轴MEMS陀螺仪
体系中三轴MEMS陀螺仪由ST公司的单轴Z方向的陀螺仪LY530AL和双轴X、Y方向的陀螺仪LPR530AL组合而成。它们选用电容式微机械陀螺仪原理，因为ST公司选用了音叉办法，而且振动驱动电路选用了双闭环的操控结构，显著地进步了陀螺仪的安稳性和分辨率。丈量规模达±300°／s，具有自测功用，输出端集成了低通滤波电路，作业电压为1．8～3．6 V，待机形式电流小于1μA。
1．2 三轴MEMS加速度计
体系中三轴MEMS加速度计选用ADI公司的ADXL345。ADXL345是依据iMEMS技能的三轴、数字输出加速度传感器，具有±2g、±4g、±8g、±16g可变的丈量规模。芯片内带的32级FIFO存储能够缓存数据，然后减轻处理器的担负并下降了体系功耗。ADXL345具有较高的分辨率与灵敏度、3 mm×5 mm×1 mm超小封装、40～145μA超低功耗及规范的I2C或SPI数字接口，十分合适于移动设备的运用。
1．3 三轴MEMS电子罗盘
体系中的三轴MEMS电子罗盘选用霍尼韦尔公司的HMC5843，它选用霍尼韦尔公司的各向异性磁阻（AMR）技能，由霍尼韦尔高精度的HMC11 8X系列磁阻传感器组成，在低强度磁场传感器中具有较高的灵敏度和可靠性。2．16～3．3 V的低电压供电、0．66 mA电流功耗，以及3mm×3 mm×0．9 mm的小体积，在消费电子设备、导航体系中具有显着的优胜性。
1．4 单片机MC9S08QE8
体系中单片机选用Freescale公司的MC9S08QE8。MC9S08QE8选用了许多新技能，如电池寿数、延伸技能、增强型的低功耗功用以及超低电压下的高档运转才能等。一起具有极高的集成度，集成了许多体系级功用，如12位高精度A／D转化器、定时器、SPI、I2C、SCI等常用模块，十分合适低功耗、低成本的运用。
2 运用电路规划
2．1 电源模块
本体系的电源稳压电路为整个体系一切设备供电，考虑到体系中触及数字型和模仿型传感器，选用了低噪音、低漂移、供电电压为3．3 V的线性稳压芯片MIC5205。电源稳压电路原理图如图2所示。其间，C1是衔接芯片内部电压参阅源与GND的电容，用来削减输出电压的噪音，而C2作为输出与GND的电容，用来避免电路发生振动。C2的电容巨细与C1有关，但当C1为470 nF时，C2一般为2．2μF。D1为电源的指示灯。
2．2 陀螺仪与ADC模块
MC9S08QE8单片机内带的ADC模块是依据逐次迫临型12位模数转化器。它供给10个输入通道，能够装备选用时刻转化速度及功耗，能够设置预置比较，然后确保某些不符合要求的数据不必保存。其间最能体现高功用特色的是能够设置接连序列转化办法，这种形式下，ADC硬件可主动完结所设定的几个通道接连转化，并把转化成果存入呼应的数据寄存器中，而不必程序循环完结。这样既简化了程序规划，又下降了转化功耗，减轻了MC9S08QE8的担负。
陀螺仪与单片机ADC模块的接口如图3所示。图中ST、HP、PD作为自我测验、能量操控、高通滤波设置3个引脚，它们别离衔接到MC9S08 QE8的通用I／O接口上。一般它们都接下拉电阻，默以为正常作业形式，假如需要对相应的作业形式进行改动则须改动对应MC9S08QE8I／O口的电平为高电平。而LY530AL与LPR530AL的输出信号（4xOTUX、4xOTUY、4xOTUZ引脚）与输出参阅电压（Vref引脚）别离接MC9S08QE8的ADC模块的相应通道。规划中特别注意的是，LPR530AL有2种输出形式：一种是选用经过内部扩大4倍后的输出，另一种是正常的输出。当选用非线性扩大输出办法时，应当把LPR530AL的5引脚和9引脚衔接GND；假如选用扩大输出办法而且外部没有扩展旁路滤波，则应当别离把4和5引脚、9和10引脚短接。图3中，LY530AL作业原理与LPR530AL类似。
2．3 加速度计、电子罗盘与I2C接口
MC9S08QE8内带的高速I2C模块具有多主机操作、可编程从机地址、中止驱动的逐字节数据发送、支撑播送形式和10位寻址等特色，总线在最大负荷下可到达100kbps的速度。体系中，加速度计、电子罗盘芯片与MC9S08QE8 I2C模块的接口如图4所示。图中ADXL345的CS引脚用来操控挑选I2C仍是SPI通讯协议，电平为高标明选用I2C协议，而SDA和SCL引脚别离衔接到MC9S08QE8的I2C总线引脚上。电子罗盘HMC5843支撑双电压作业，其间引脚VDD标明内核电压，引脚VDDIO标明外部I／O电压，本体系中选用单电压形式，即内核电压与外部I／O电压相同。
3 软件规划与测验
体系的软件规划是整个体系的重要组成部分。依据上述硬件电路的规划原理与功用要求，软件中首要要完结MC9S08QE8的初始化，对各种MEMS传感器的作业形式进行设定；然后获取三轴陀螺仪、加速度计、电子罗盘的实时信号，并依据姿势核算算法核算姿势角，终究把姿势角信息经过串口传送到上位机中进行测验与演示，嵌入式姿势丈量体系软件流程如图5所示。
3．1 MC9S08QE8的初始化
MC9S08QE8的初始化函数首要完结对体系时钟、端口及各个运用的功用模块进行初始化，如ADC模块、SCI模块、I2C模块。初始化函数Sys_init_fun（void）如下：
3．2 传感器作业形式的设定
各种MEMS传感器作业形式的设定中，陀螺仪触及的均为模仿信号，不必对其详细作业形式进行设定。加速度计ADXL345丰厚的功用是经过装备对应的寄存器来完结的，经过对应的寄存器能够挑选数据格式、FIFO作业形式、数字通讯形式、节电形式、中止使能以及批改各轴偏差等。POWER_CTL寄存器用来设定供电形式，与BW_RATE寄存器合作，可设定数据传输速率，假如要进一步下降功耗，可将BW_RATE寄存器中的LOW_POWER方位位，进入低功耗形式。而DATA_FORMAT寄存器用来设定数据格式与加速度计的量程，FIFO_CTL寄存器用来设置缓存器详细的作业形式，如Bypass、FIFO、Stream、Trigger。最终OFSX、OFSY、OFSZ三个用来寄存初始化时标定的X、Y、Z轴的偏移量，以便对数据进行
批改。
电子罗盘HMC5843装备相对简略，首要有3个寄存器，经过装备寄存器A能够设定数据传输速率和丈量形式，寄存器B用来设置设备的增益巨细，而经过形式寄存器用来设置设备的作业形式。
3．3 姿势核算
典型的姿势解算办法有方向余弦矩阵求解法、四元数法、旋转矢量法等，本体系选用William Premerlani andPaul Bizard的DCM算法，DCM算法框图如图6所示。三轴陀螺仪的输入信号经过运动学方程核算出方向余弦矩阵，三轴加速度计信号与三轴电子罗盘信号结合PI反应操控对陀螺仪信号进行批改。
其间算法由kinematics_and_normalizaTIon（t_vector*gyro，t_matrix*dcm）函数完结：
上述核算得到的实时姿势角数据经过串口传送到上位机，上位机中经过编写的python演示程序对下位机姿势丈量模块的运动姿势进行盯梢与显现，演示作用如图7所示。每幅图中包括3个部分：第1部分（左上角）中红、绿、蓝3种指针指向别离代表横滚角（roll）、俯仰角（pitch）与航向角（yaw）的巨细，第2部分（左下角）显现模块实时运动姿势，第3部分（右边）用于显现姿势角信息。左图为物体静止不动下的演示作用，右图标明在运动过程中物体的姿势运动作用，经过比照与剖析2个图及各图对应3部分的作用，能够阐明本规划到达了杰出的作用，能比较正确地丈量物体的姿势信息。
结语
当时，各种消费电子设备内部一般含有三轴加速度计和电子罗盘，如智能手机、平板电脑等，但加速度计动态功用比较陀螺仪差劲许多，而陀螺仪的添加能够提高体系全体的动态与静态功用。本文规划的嵌入式姿势丈量体系，选用多MEMS传感器组合办法，拓宽了MEMS传感器的运用规模，也延伸了姿势丈量体系的运用范畴。试验演示标明体系功用和运用性都比较好，能够运用于消费电子与一般工业的姿势丈量与物体安稳操控的运用中。
