一种高精度宽量程MEMS 组合加速度计设计与优化

徐向阳，张 伟

（北京信息科技大学 传感器重点实验室，北京 100101）

0 引言

MEMS 技术本质上是把电子电路和微机械元件集成到一颗芯片的半导体技术，自20 世纪80 年代以来MEMS 技术越来越受到人们的重视[1]，被应用到非常多的领域，在民用国防等领域发挥着不可或缺的作用。因项目要求-45～85 ℃全温范围内零偏变化小于5 mg。因此本文以不同的高精度MEMS 加速度计、微控制单元MSC1214、数/模转换芯片AD5781、MAX6350 为硬件基础，不仅实现了宽量程范围内的加速度的精确测量输出，还解决了零位温度偏移过大的问题。

1 加速度测量原理

每一款加速度计都有设定好的敏感轴向，可测量在该方向上的加速度。由于本文实验测试平台为高精度三轴转台，固定安装后的组合加速度计是在水平面内绕固定圆心做半径为r的圆周运动。根据力学原理可知，敏感轴向测量的是圆周运动时产生的离心加速度a，具体示意图如图1 所示。

图1 离心加速度示意图

由物理力学知识可推导出加速度的矢量表达式：

式中：a为本文组合加速度计所要测量的加速度；ω是组合加速度计绕中轴旋转的角速度；r为加速度计的中心点到中轴圆心的距离。角速度ω可由高精度转台的工控计算机精确控制，r可由游标卡尺测量得到，所以可根据已知量计算得出加速度值来标定本文的组合加速度计。

2 组合加速度计硬件设计

2.1 MCU

MCU（Microcontroller Unit）即微控制器，是电路系统中起数据处理，控制系统运行的核心芯片，俗称单片机。经过综合考量采样精度、操作难易程度、信号处理和经济成本等因素，最终选择TI 公司的MSC1214 作为微控制器，周围电路如图2 所示。可用Keil C 编程并下载程序进行电路调试。可在各种对体积、功耗、性能有很高要求的测控系统中作为控制和数据处理中心。

图2 MCU 周围电路

2.2 电路设计对比

本文设计的MEMS 组合加速度计，主要由模拟电路和数字电路两部分组成。为了达到项目全温范围5 mg零偏的要求，对关键芯片会有一定要求，稳压电源关系着后续所有元器件的性能，所以稳压电源的稳定性至关重要。设计方案中两个备选的电源稳压芯片为REF195和MAX6350，前者温度漂移特性为5 ppm/℃，后者为1 ppm/℃。可见MAX6350 工作温度范围内稳定性比REF195 高了5 倍。因此选用MAX6350 作为稳压电源芯片。

在加速度敏感元件的选择方面，ADXL355 与ADXL1002 是两款不同量程、不同精度的加速度计，通过对比分析ADXL1002 与ADXL355 发现后者的0g温度稳定性较好，如表1 所示。

表1 两款加速度计部分性能对比表

在设计方案中，电路采用ADXL355 用来测量±2g范围以内的加速度，ADXL1002 用来测量±2g范围以上的加速度，即小范围内使用精度更高的加速度敏感元件。由于ADXL355 本身已经是数字输出，可直接使用SPI 的方式与控制器通信，而ADXL1002 为模拟输出，需经过A/D 采样模/数转换之后才可进行数据处理。

ADXL1002 测量载体加速度后通过MSC1214 内部的24 位A/D 采样转换成数字信号。由2 个加速度计获取的数字信号经过MSC1214 处理后，数字量通过RS 485 转换输出，模拟量通过AD5781 转换后输出。电路逻辑如图3 所示。

图3 电路逻辑图

MSC1214 内部ADC（模/数转换器）精度高达24 位，转换后的数字量范围为：-16 777 216～16 777 216，但MSC1214 的内部DAC（数/模转换器）只有16 位的精度，包含数字量范围是-65 536～65 536，如果直接使用MSC1214 内部的DAC，数模转换时会丢失很高的精度，损失了分辨率。根据以上问题，本文提出使用更高精度的数/模转换芯片AD5781。AD5781 芯片具有18 位的数模转换精度，覆盖数字量为：-262 144～262 144。比MSC1214 内部的DAC，分辨率提高了一个数量级。AD5781 电路图如图4 所示。

图4 AD5781 电路图

3 软件程序设计

在使用精度更高，温度性能更稳定的硬件基础上，程序算法通过去零偏、卡尔曼滤波等算法实现了高精度、高稳定度、宽量程的加速度测量。具体程序流程如下：

步骤1：系统上电初始化；

步骤2：读取零位初始数据并保存，方便后续去零偏；

步骤3：读取加速度值，判断其绝对值是否大于2g，若超过2g，则使用ADXL1002 模数转换后的数据，反之则使用ADXL355 通过SPI 传来的数据；

步骤4：在单片机内完成去零偏、滤波去噪等处理；

步骤5：通过AD5781 数/模转换成模拟量输出，通过RS 485 串口输出数字量；

步骤6：重复步骤3～步骤5。

4 实验测试

依托于北京市传感器重点实验室实验平台，使用高低温恒温温箱测试不同温度下加速度计的输出。设定测量温度为-45 ℃，20 ℃，85 ℃，具体温度测试步骤如下：

步骤1：将4 台待测产品放置在温箱内，可读取产品模拟量输出后密闭温箱；

步骤2：设定温箱温度为-45 ℃，待温度稳定1 h 后读取电压表输出；

步骤3：设定温箱温度为20 ℃，待温度稳定1 h 后读取电压表输出；

步骤4：设定温箱温度为85 ℃，待温度稳定1 h 后读取电压表输出；

步骤5：重复步骤2～步骤4。

实验测试时温箱照片如图5 所示。

图5 高低温恒温箱

为了验证系统设计在不同温度下零位输出是否稳定，准备4 台产品进行实验。实验结果得到表2 和表3。表2 和表3 中高、低温与常温变化量分别为高温和低温的零位模拟输出与20 ℃输出的差值的绝对值。项目要求全温范围内零偏变化小于5 mg，根据模拟输出对应标度因数换算成模拟量后为小于0.003 V。

表2 改进前零位温度数据 V

表3 改进后零位温度数据 V

对比表2 和表3 中数据可知，改进前高低温对常温的零位最大偏差均方差为0.025 7，改进后为0.001 2，提高了约21.42 倍；改进前零位温度变化最大为0.062 6 V，改进后为0.002 9 V。由此说明改进方案有效，满足了项目要求，具有优秀的零位温漂稳定性。

5 结语

改进了一种新型车载MEMS 加速度计，通过对比实验分析硬件电路和不同元器件的温度特性，发现影响零位温度特性不稳定的主要原因是稳压电源易受温度影响，MSC1214 内部DAC 位数不够和加速度计0g附近精度不够。针对以上问题采用了温度特性更好的稳压电源、D/A 位数更多的AD5781 与精度更高的加速度芯片。改进后的零位温度稳定性大幅度提高，模拟输出零位温漂小于0.003 V，均方差小于0.001 2，满足了项目小于5 mg的要求。