双轴加速度传感器ADXL210E及在三维鼠标中的应用

论文导读：是美国模拟器件公司生产的含有用多晶硅表面微机械加工技术制作的传感器的两坐标轴加速度计单片集成电路。维鼠标设计的核心器件是：加速度传感器ADXL210E。双轴加速度传感器ADXL21OE在三维鼠标中的运用还在尝试中。
关键词：双轴加速度传感器，ADXL210E，三维鼠标
 

一、引言

ADXL210E是美国模拟器件公司生产的含有用多晶硅表面微机械加工技术制作的传感器的两坐标轴加速度计单片集成电路。论文写作，ADXL210E。ADXL210E是一种低成本，低功耗，完整2轴加速度传感器，该电路可以测量诸如振动这样的动态加速度和重力之类的静态加速度，测量范围为±10g。ADXL210E的占空因数输出在没有A/D转换器或胶着逻辑（Gluelogic）的情况下，可通过微处理器直接测量。论文写作，ADXL210E。事实上，器件的占空因数（即脉冲宽度与周期之比值）正比于加速度。论文写作，ADXL210E。ADXL210E常用于两轴倾斜传感器、信息家电、报警和移动探测器及汽车安全等领域。

其性能特点如下：

（1）利用3V～5.25V的单电源工作，电源电流低于0.6mA；

（2）集成了两坐标轴采用多晶硅精细机械加工技术制作的传感器；

（3）经占空因数输出端可直接与低成本的微控制器接口；

（4）加速度计的带宽可由引脚XFILT和引脚YFILT上的电容器（CX、CY）设定；（5）满度测量范围为±10g，在60Hz下的分辨力是2mg；

（6）占空因数周期T2由引脚2上的电阻器RSET设定（T2=RXET（Ω）/125MΩ）。（7）有专门设计的数字输出，通过占空因数滤波或者利用引脚XFILT与引脚YFILT输出，也可提供模拟输出。

二、基本结构与原理

ADXL210E采用尺寸为5mm×5mm×2mm的8引脚LCC型封装，引脚排列如图1所示。各个引脚的功能见表1。

图1 ADXL210E引脚排列图

表1 ADXL210E的引脚功能

ADXL210E是一种带两坐标轴传感器的加速度计电路，内部结构框图及外部元件和与微控制器的连接如图2所示

图2ADXL210E的工作原理图

该ADXL210E是一个完整的双轴加速度测量系统在一个单片集成电路。它包含一个多晶硅表面微机械传感器和信号调理电路实现一个开环加速度测量结构。对于每个轴，输出电路转换成模拟信号占空比调制（DCM）的数字信号，可以被解码与计数器/计时器上一个微处理器端口。该ADXL210E可以测量加速度正反两方面的能力到± 10克，加速度计可以测量静态加速度，例如重力的力量，使其能够作为一个倾斜传感器。

器件的传感器是一种制造在硅晶片上面的、采用表面微机械加工技术制作的多晶硅结构。在晶片表面上，多晶硅弯曲（springs）悬置该结构，为加速度提供 一个电阻器。结构的偏转用一个由独立固定片和依附于运动质量的中心片所组成的差分电容器来测量，固定片由相位差为180°的方波驱动。一个加速度将使波束（beam）偏移并使差分电容器失衡，结果导致输出方波幅值与加速度成正比。利用相位敏感的解调技术，对信号进行整流，可确定加速度方向。解调器输出经过一个32kΩ的内部电阻器驱动占空因数调制（DCM）级电路。器件带宽可由引脚XFILT和引脚YFILT上的外部电容器（CX、CY）确定。论文写作，ADXL210E。在低通滤波之后，通过DCM级将模拟信号转换为占空因数调制信号。引脚T2的外部电阻器RSET设定总的周期时间T2（通常为0.5ms～10ms）。若周期内的开通时间T1，占空比D=T1/T2。论文写作，ADXL210E。1个0g的加速度可产生50％的占空比。利用计数器/计时器或低价的微控制器，通过测量T1和T2则可确定加速度信号。

三、在三维鼠标中的应用

三维鼠标及其在虚拟现实中的应用是随着计算机图形绘制技术、 数字信号处理技术、 传感技术的大力发展而产生的产品,，我们已经跨入了一个全新的三维时代，但我们对于三维的操作还是依靠二维鼠标来进行，已经远远不能满足现在技术的需要，因此研究三维鼠标有着非常重要的现实意义。8 0代末、9 0年代初国际国内形成了对虚拟现实的研究热潮。所谓虚拟现实技术即利用计算机产生逼真三维视觉、听觉、触觉等，使得用户可以通过使用专用设备自然地对虚拟环境中的实体进行交互考察与控制，而交互和控制的重要载体之一是三维鼠标的应用。如果实现了三维鼠标对模拟系统的控制，不但可以摆脱用二维鼠标去实现三维控制的局面，而且对今后基于该三维鼠标开发多维控制系统都有所帮助，从而真正做到三维鼠标在虚拟现实中的有效应用，为三维技术的发展解决技术操作难题。论文写作，ADXL210E。那么首先三维鼠标的关键在于对于三维数据的采集，下面就是三维鼠标的原理框图，图3 三维鼠标原理框图。

图3 三维鼠标原理框图

三维鼠标设计的核心器件是：加速度传感器ADXL210E。三维鼠标定位便是使用加速传感器来实现的，通过移动鼠标，获一加速度，分别位于X轴Y轴Z轴，该加速度通过加速度传感器以获得与加速度成比例的模拟信号，设置加速度器，调节电容及电阻以获得我们想要的模拟信号。模拟信号经过模数转换器形成数字信号，然后再把数字信号通过红外发射给信号处理芯片STM32进行集中处理计算，最后通过USB接口控制电脑屏幕等，具体流程见图4。

同时，ADXL210E加速度传感器的数据必须要进行精确和快速的计算，因此我对加速度传感器的算法采用了捷联惯导算法（SINS）。本系统中，是利用捷联式惯导算法将SINS输出的加速度值和角速度值转化为这些运动参数，惯性导航是通过测量运载体的加速度，并经数学运算而确定运载体即时位置的一种导航定位方法，加速度计的工作原理是基于经典的牛顿力学定律，通过测量比力从而得到加速度。

四、小结

双轴加速度传感器ADXL21OE在三维鼠标中的运用还在尝试中，具体电路和计算方法在实际工作中碰到几个问题，如芯片功耗虽然很小，但由于芯片体积很小，在长时间工作后热量比较集中，所以要在芯片的底部想方法帮助散热，我也将在以后的加速度传感器研究过程中不断加以分析。