簡介

　　ADI公司的ADXL345三軸加速度計(jì)包括一個數(shù)字接口和內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。ADXL345在所有g(shù)范圍內(nèi)(±2g、±4g、±8g和±16g)具有3.9 mg/LSB的高分辨率，適合大多數(shù)應(yīng)用。

　　在需要更高分辨率的應(yīng)用中,可使用過采樣技術(shù)來提高ADXL345的分辨率。此應(yīng)用筆記說明如何利用先進(jìn)先出(FIFO)緩沖器提高ADXL345的分辨率。

　　過采樣原理

　　對來自加速度計(jì)的加速度信號進(jìn)行數(shù)字信號處理的步是模數(shù)轉(zhuǎn)換。對于具有模擬輸出的加速度計(jì)，加速度計(jì)的信號通過外部ADC被數(shù)字化，其分辨率取決于應(yīng)用的需求和設(shè)計(jì)者的選擇。相對于模擬輸出加速度計(jì)，數(shù)字輸出加速度計(jì)(如ADXL345)具有一個內(nèi)部ADC，且其分辨率已由傳感器設(shè)計(jì)決定。

　　過采樣技術(shù)是使用比所需速率高得多的速率對模擬信號進(jìn)行采樣來提高分辨率的技術(shù)。與數(shù)字濾波和抽取結(jié)合使用，可產(chǎn)生更高的分辨率。甚至對于ADC分辨率已固定的數(shù)字輸出加速度計(jì)，仍可使用該技術(shù)以更高的分辨率對加速度進(jìn)行測量。過采樣背后的原理是過采樣信號中的總量化噪聲與以原速率采樣的信號相同，但總量化噪聲被分散到了更高的帶寬中。該過采樣信號可以原始帶寬濾波，減少總量化噪聲?？傇肼暯档鸵院螅诒３衷夹旁氡?SNR)的同時，信號可以更小的步進(jìn)進(jìn)行分辨。

　　表1所示為過采樣系數(shù)，它決定ADXL345的輸出數(shù)據(jù)速率比應(yīng)用中所需數(shù)據(jù)速率高多少。對于2倍或 1 LSB分辨率的提高，過采樣系數(shù)必須是4。而4倍或2 LSB分辨率的提高則要求過采樣系數(shù)為16。

表1. 過采樣系數(shù)與分辨率的提高。

　　ADXL345的實(shí)現(xiàn)

　　ADXL345為具有數(shù)字接口的三軸加速度計(jì)。它包含一個13位ADC和一個具有強(qiáng)大中斷系統(tǒng)的32級FIFO（每軸）輸出緩沖器。當(dāng)規(guī)定數(shù)量數(shù)據(jù)存儲在FIFO中時，它將產(chǎn)生一個中斷信號。通過寫入適當(dāng)?shù)募拇嫫?，可對ADC的輸出數(shù)據(jù)速率進(jìn)行配置。

　　由于FIFO具有可配置輸出數(shù)據(jù)速率以及靈活的中斷系統(tǒng)，因此ADXL345非常適合于過采樣技術(shù)。

　　輸出數(shù)據(jù)速率設(shè)置

　　在對ADXL345使用過采樣技術(shù)時，用戶必須首先確定過采樣系數(shù)。根據(jù)分辨率提高所需的等級選擇過采樣系數(shù)：當(dāng)分辨率需要提高1 LSB時，選擇過采樣系數(shù)為4；當(dāng)分辨率需要提高2 LSB時，選擇過采樣系數(shù)為16。接下來，根據(jù)所需數(shù)據(jù)速率選擇傳感器的輸出數(shù)據(jù)速率。例如，若在應(yīng)用中所需數(shù)據(jù)速率為12.5 Hz，分辨率需要提高1 LSB，那么ADXL345的數(shù)據(jù)速率可配置為50 Hz (12.5 Hz × 4)。輸出數(shù)據(jù)速率可在BW_RATE寄存器中進(jìn)行設(shè)置。

　　FIFO設(shè)置

　　當(dāng)存儲在FIFO中的數(shù)據(jù)數(shù)量與過采樣系數(shù)值相等時，應(yīng)該設(shè)置FIFO在此時產(chǎn)生一個中斷。該類型中斷稱為水印(WM)中斷。FIFO既可以在FIFO模式下使用，也可以在流模式下使用(更多信息，請參見ADXL345數(shù)據(jù)手冊)。

　　產(chǎn)生WM與FIFO操作所需的數(shù)據(jù)量可由FIFO_CTL寄存器設(shè)置。INT_ENABLE寄存器用于使能WM中斷。INT_MAP寄存器控制是否將WM中斷分配到INT1引腳或INT2引腳。

　　關(guān)于此應(yīng)用筆記中沒有提到的使用FIFO的其它詳細(xì)信息，請參考ADXL345數(shù)據(jù)手冊或AN-1025應(yīng)用筆記，即《ADI數(shù)字加速度計(jì)中先進(jìn)先出(FIFO)緩沖器的使用》。

　　數(shù)據(jù)格式

　　通過訪問數(shù)據(jù)寄存器(每軸兩個字節(jié))可讀取ADXL345的數(shù)據(jù)。當(dāng)在±2 g模式下使用右對齊數(shù)據(jù)時，加速度數(shù)據(jù)如表2所表示(帶有擴(kuò)展符號位的10位數(shù)據(jù)字段用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示)。

表2. ADXL345的數(shù)據(jù)格式(±2 g, 右對齊）

　　微處理器中的數(shù)據(jù)處理

　　根據(jù)應(yīng)用中所需的數(shù)據(jù)速率,配置ADXL345產(chǎn)生WM中斷。

　　處理器基于對應(yīng)于WM中斷的過采樣系數(shù)讀取多種數(shù)據(jù)。

　　然后，數(shù)據(jù)必須經(jīng)過數(shù)字濾波，并經(jīng)過抽取獲得所需分辨率數(shù)據(jù)。簡單、有效的濾波和抽取方法是求平均值。將所有從ADXL345讀取的數(shù)據(jù)相加，然后除以2或4，在分辨率上就可以分別得到1 LSB或2 LSB的提高。(當(dāng)過采樣系數(shù)為4時則除以2，當(dāng)過采樣系數(shù)為16時則除以4。)當(dāng)ADXL345的輸出數(shù)據(jù)速率為200 Hz且有16組數(shù)據(jù)存儲在FIFO中并產(chǎn)生水印中斷時，過采樣的時序圖如圖2所示。

　　表3為處理器內(nèi)部過采樣系數(shù)為4時數(shù)據(jù)處理過程的實(shí)例。

表3. 過采樣過程中的數(shù)據(jù)格式

　　在3.9 mg/LSB分辨率時，Data1為256 LSB。應(yīng)當(dāng)對應(yīng)為1000mg。Data2為257 LSB和約1004 mg，如此類推。當(dāng)所有四個數(shù)據(jù)相加且除以2以后，數(shù)據(jù)變成512 LSB，也就是在1.95mg/LSB分辨率下的1000mg。此表明分辨率有1 LSB的提高。

　　值得注意的是，ADXL345的數(shù)據(jù)為二進(jìn)制補(bǔ)碼。當(dāng)除以負(fù)數(shù)時，移位的數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)不一致。

　　噪聲考慮因素

　　過采樣僅能改善ADC的量化誤差?？赏ㄟ^噪聲密度和用于過采樣的數(shù)字濾波器的性能計(jì)算ADXL345的輸出噪聲。

　　ADXL345的噪聲為白噪聲，它在每個頻率上的功率相同。

　　可通過以下方程計(jì)算輸出噪聲：

　　輸出噪聲(g rms) =

　　對于移動平均數(shù)的情況(16倍過采樣可提高2 LSB)，輸出數(shù)據(jù)速率為100Hz，圖1所示為濾波器的增益響應(yīng)。

圖1 移動平均數(shù)濾波器的增益響應(yīng)

圖2 過采樣技術(shù)的時序圖