ADIS16266可编程数字陀螺仪的工作原理是什么？性能如何？

2017-03-10 20:48分类：变频器阅读：

ADIS16266可编程数字陀螺仪在单个紧凑型封装内集成了业界领先的MEMS和信号处理技术，它具有同类MEMS陀螺仪需要全动校准才能达到的精度性能。接通电源后，无须从系统处理器发出配置命令，ADIS16266便自动启动并开始传感器数据采样。借

助可寻址寄存器结构和通用串行外设接口(SPI)，则可轻松访问传感器数据和配置设置。只需借助简单的固件级指令，多种数字处理器平台即可支持SPI。ADIS16266提供数种可编程系统内优化功能。通过Bartlett窗口、FIR滤波器长度和采样速率设置，用户可以实现噪声与带宽优化。数字输入／输出线路提供：数据就绪信号以便主机处理器高效管理数据的一致性；报警指示信号以激活主机处理器中断；通用函数以便设置和监控系统级数字控制／条件。

ADIS16266与ADIS1625x和ADIS1626x系列引脚兼容，采用LGA封装（11.2mmx11.2mmx5.5mm）（见图2-143），符合JEDECJ-STD-020标准的无铅焊接回流曲线要求，工作温度范围为-40—+105℃。

ADIS16266具有以下特性：

·数字化偏航角速度陀螺仪SoC，范围调整设置正负500。／s、士7000。／s和士14 000。／8

·2429 sps采样速率

·宽传感器带宽：360Hz

·无须外部配置命令即可开始数据采集

◇启动时间：170ms

◇休眠模式恢复时间：2.5ms

·工厂校准灵敏度和偏置：校准温度范围：-40～+70℃

·SPI兼容型串行接口

·相对角位移输出

·嵌入式温度传感器

·可编程工作与控制

·自动和手动偏置校正控制

◇Bartlett窗口、FIR滤波器长度、抽头数

◇数字I/O：数据就绪、报警指示、通用

◇状态监控报警

◇电源管理支持休眠模式

◇DAC输出电压

◇单，命令自测.

·单电源供电：4.75～5.25V，3.3V兼容数字线

·抗冲击能力：2000g

·工作温度范围：-40～+105℃

1．内部结构

ADIS16266集成了具有数据采样、信号处理和校准功能的MEMS陀螺仪，还有简单的用户接口。此检测系统将自主采集数据，并提供给任意支持4线式串行外设接口( SPI)的处理器系

(1)传感元件

传感元件使用谐振器陀螺仪原理工作。两个多晶硅检测结构各含一个扰动框架，通过静电将扰动框架驱动到谐振状态以产生必要的速度，从而在旋转期间产生科氏力。在各框架的两个外部极限处（与扰动运动正交）是可动指，放在固定捡拾指之间，形成一个容性捡拾结构来检测科氏运动。检测到的信号被馈送至一系列增益和解调级，产生电速率信号输出。差分结构可将线性加速（重力和振动等）和EMI的影响降到最低。

(2)数据采样和处理

ADIS16266根据用户控制寄存器中的配置，自主运行。模拟陀螺仪信号馈入模数转换器(ADC)级，接着后者将数字化的数据传递至控制器，用于数据处理和寄存器加载（见图2-145）。嵌入式控制器中的数据处理包括校正公式、滤波和预设报警条件检查。每个ADIS16266的校正公式是唯一的，此公式是在-40～+700C的温度范围内根据每个器件的工厂特性推导而出的。

2．用户接口

(l) SPI接口

数据采集和配置命令均采用由四线组成的SPI片选(/CS)信号激活SPI接口，而串行时钟(SCLK)则同步串行数据线。串行输入数据在SCLK上升沿输入到DIN，而串行输出数据在SCLK下降沿输出到DOUT。许多数字处理器平台均支持与专用串行端口的接口和简单的指令集。

(2)用户寄存器

用户寄存器为SPI接口上的所有输入／输出操作提供寻址服务。每个16位寄存器都拥有自己独有的位分配，并具有两个7位地址：一个地址用于高位字节，另一个地址用于低位字节。表2-48给出了用户寄存器功能。

3．基本工作原理

ADIS16266是一个自治工作系统，无须用户初始化。只要为其提供有效的电源，它就会自行初始化，并开始采样、处理，并将传感器数据加载到输出寄存器。每个采样周期结束后，DI01脉冲变为高电平。利用SPI接口可以与许多嵌入式处理器平台轻松整合，如图2-146和表2-49、表2-50所示。

ADIS16266 SPI接口支持全双工串行通信（同时执行发送和接收）并采用图2-147中所示的位序。
表2-51提供了常见设置列表，针对ADIS16266 SPI接口初始化处理器串行端口时需要注意。

(1)读取传感器数据

单个寄存器读操作需要两个16位SPI周期。在第一个周期中，利用图2-147中的位分配功能请求读取一个寄存器的内容；在第二个期中，寄存器内容通过DOUT输出。图2-148显示了三个连续的寄存器读操作。本例中，首先是引脚3的DIN=Ox0400请求GYRO OUT寄存器的内容；然后是DIN=Ox0600请求GYRO—OUT2寄存器的内容；最后是DIN= OxOCOO请求TEMP OUT寄存器的内容。全双工操作支持处理器利用同一16位SPI周期从DOUT读取数据，同时通过DIN引脚请求下一数据集。

图2-149提供了四个SPI信号重复读取GYRO__ OUT时的示例。

(2)输出数据寄存器

图2-150显示了输出寄存器格式的通用模式。当寄存器包含未读取的数据时，ND位等于1。当DIAG STAT寄存器中的任何错误/艮警标志位等于1时，EA位为高电平。

(3)旋转速率（陀螺仪）

GYRO OUT(见表2-52)是陀螺仪输出数据的主寄存器，使用14位二进制补码数据格式（见图2-151）。

表2-53举例说明如何将数字数据转换为o/s。

GYRO OUT2寄存器（见表2-54）使用MSB对齐的格式，捕捉与抽取滤波器（见图2-152）有关的位增长。位增长始于MSB (GYRO OUT2[15])，等于SMPL_PRD[3:0]（见表2-55）【中1的抽取速率设置，随着抽取速率增加，LSB方向的位也随之增长（见图2-153）。

(4)内部温度

TEMP OUT（见表2-56）寄存器会使用一个传感器来监控内部温度，会影响陀螺仪数据的校准修正公式。请注意，内部温度和环境温度的差异取决于许多因素，引入的差值可能达到土10℃。这种温度测量可用于跟踪温度的相对变化。表2-57给出了温度测量值的二进制补码格式。

(5)电源电压

SUPPLY OUT（见表2-58）寄存器提供从VDD到GND的电源电压数字表示。表2-59给出了电源电压数据格式示例。

(6)辅助输入电压(AUX ADC)

AUX ADC（见表2-60）寄存器提供AUX ADC引脚上电压的数字表示。表2-61给出了AUX ADC电压数据格式示例。

(7)器件配置

表2-48列出的控制寄存器提供各种用户配置选项。SPI端口使用图2-I47所示的位分配功能来访问这些寄存器，一次一个字节。每个寄存器都有16位，其中位[7：0]代表低位地址，位[15：8]代表高位地址。图2-154举例说明把Ox03写入到地址Ox32（GPIOCTRL[7:01，见表2-62）

(8)双存储器结构

将配置数据写入控制寄存器会更新其SRAM内容，SRAM是易失性存储器。优化系统中的各相关控制寄存器设置之后，设置GLOB CMD[3]_1(DIN= OxBE08)可将这些设置备份到非易失性闪存。闪存备份过程需要40ms，全程要求有效的电源电平。表2-48所示的寄存器存储器映射中包括闪存备份信息栏。此栏中的“是”表示相应的寄存器在闪存中有一个镜像位置，正确备份后，寄存器在启动期间或复位之后可以自动恢复其内容。图2-155是用于管理操作和存储关键用户设置的双存储器结构示意图。

(9)信号处理

图2-152所示的信号处理流程图描述了所有用户可配置的选项，这些选项会影响采样速率和频率响应。使用SMPL PRD和SENS_ AVG寄存器的出厂默认设置时，有效的传感器带宽为360Hz。

A.抽取滤波器（更新速率）

内部采样系统以2429 sps的速率在输出数据寄存器中产生新数据。SMPL PRD（见表2-55）寄存器提供抽取滤波器级的功能控制，为降低输出寄存器中的更新速率提供了用户控制输入。抽取滤波器采用含抽取输出的均值滤波器，以降低更新速率。这些位提供二项控制，每次此数增加1时，数据速率减半。例如，设置SMPL- PRD[3:0]= 00100 (DIN =OxB604)可将抽取系数设为16，因而更新速率降至151.8 sps，带宽（-3dB）降至大约75Hz。

B．模拟滤波器

模数转换级之前，ADIS16266有一个双极点模拟滤波器，这两个极点均位于大约1.6kHz处。RATE和FILT引脚可访问这些滤波器任意一个的放大器反馈路径。因而根据以下关系，可降低与该滤波器极点相关的截止频率。

例如，增加一个lOOOpF的电容，可把这一极点降到大约567Hz。

C．数字滤波

可编程低通滤波器为惯性传感器输出提供额外的降噪功能。此滤波器包含两个级联均值滤波器，它们提供Bartlett窗口、FIR滤波器响应（见图2-156）。例如，设置SENS AVG[2:0]=100 (DIN= OxB804)可将每级设为16抽头。当采用默认采样速率2429 sps（无抽取）时，此值将数字滤波器的带宽降至大约49Hz。该滤波器的最小设置是每级两个抽头（SENS__ AVG[2:0]_001）（见表2-63）。