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06-21
车载电子罗盘的功能是帮助用户确定车辆的行驶方向，准确显示方位角并提供正确的操作指令。
因此，导航的准确性对于衡量系统的性能变得非常重要。
指数。
本文介绍的基于AMR磁阻传感器和加速度传感器ADXL的电子罗盘就是捷联惯性导航系统之一。
电子罗盘系统中，单片机VRS51L对加速度传感器输出信号的脉冲宽度和周期进行计数，得到车辆的瞬时加速度值，然后利用三角函数计算出当前位置与当前位置之间的横滚角和俯仰角。
已知参考位置。
，进行姿态计算，得到车辆的前进方向和方位角。
然而，汽车的电磁环境复杂，特别是汽车的振动和瞬时功率变化，会对ADXL输出的占空比信号造成尖峰干扰，严重影响计数精度。
因此，抑制脉冲干扰对于提高计数精度、增强系统性能显得尤为重要。
1 ADXL工作原理 ADXL传感器由振荡器、X、Y方向传感器、相位检测电路和占空比调制器组成。
具有数字输出接口和模拟电压信号输出接口。
X和Y方向传感器是两个相互正交的加速度传感器。
当ADXL的方向相对于地平面发生变化时，X和Y方向对应不同的输出，从而可以测量动态变化的加速度和恒定的加速度。
传感器的后级连接有鉴相器，主要用于校正信号并确定信号的方向。
检测器输出的信号通过 32 kΩ 电阻驱动占空比调制器。
在设计期间，可以通过将外部电容器 CX 和 CY 连接到 XFILT 和 YFILT 引脚来更改带宽。
同时，外接电容对于滤除噪声、抑制零漂也有一定的作用。
信号经过低通滤波器后，占空比调制器将信号转换为数字信号输出。
T2的周期T2（1~10 ms）可以通过T2引脚外接电阻改变，方便在不同精度要求的场合使用。
输出占空比信号可用于通过计数器计算占空比。
加速度的计算可由式（1）得到。
加速度为0g时，输出信号占空比为50%；每1g灵敏度引起的脉宽占空比变化为12.5%。
0g 处的偏移和系统误差会影响应用中的实际输出值。
然后根据测得的加速度值可以计算出X轴和Y轴的倾角： 当加速度计定向时，其X轴和Y轴与地球表面平行，可以用作两轴传感器滚动和倾斜。
双轴倾角传感器，被测物体的俯仰角记录为γ和侧倾角β。
磁阻传感器的三个敏感轴沿载体的三个坐标轴安装，地磁场的磁感应强度H在载体坐标系的三个坐标上的投影分量（HX，HY，HZ）为分别测量，然后使用俯仰角和水平角。
利用横滚角计算姿态即可得到电子罗盘的方位角。
2 ADXL的抗干扰设计思想 根据ADXL用户手册，传感器和微处理器共用电源时会产生干扰，因此在电路设计中采用了抑制干扰的方案。
设计时采用0.1μF的电容和小于等于Ω的电阻来抑制干扰。
实验测试表明，仍然存在电路其他部分的电源与传感器电源相互影响的情况，干扰抑制效果不理想。
经过反复测试，传感器采用独立电源供电，接线时将器件和调理信号的电阻、电容放置在单独的板上或在传感器的某一区域用粗地线包围。
电路板。
实验中在室内条件下可以获得较好的干扰抑制效果。
但在实际应用中，汽车的振动和瞬时功率变化对ADXL E输出的占空比信号产生的峰值脉冲干扰（脉冲宽度约1~2 ms）无法消除，需要更多的处理。
有很多措施可以抑制和消除尖峰干扰的影响。
常用的方法包括硬件方法和软件方法，或两者??的组合。
考虑到电子罗盘整体体积和磁阻传感器信号对干扰比较敏感，如果采用高效的硬件滤波，系统电路将会变得非常庞大；如果采用简单的硬件电路，则滤波效果不完全。
事实上，您还可以使用微处理器进行软件滤波，以消除尖峰干扰。
采用软件滤波算法无疑可以在更充分地利用系统硬件资源的同时简化电路结构，满足降低产品设计成本的要求。
ADXLE输出的信号占空比调整（DCM）周期由外部电阻决定，一般低于1kHz。
因此，计数输入端的高低电平持续时间长达数ms甚至数十ms。
可以看到，正常计数的传感器输出信号的高低电平变化缓慢；而控制器脉宽计数时间小于1μs，干扰尖峰脉冲是突发性的，因此可以将干扰与正常计数区分开来。
因此，利用软件滤波消除尖峰干扰是可行的。
VRS51L微控制器是美国Ramtron公司推出的VRS51L3XXX系列8位微控制器家族的成员。
VRSS1L 提供了两个独立的脉冲宽度计数器（PWC）模块，分别与定时器 0 和 1 相关。
用户可以通过配置 PWC 模块和定时器来灵活控制定时器开始或停止计数，从而方便地实现 ADXLE 输出脉冲宽度和周期计数。
观察单片机计数输入端的信号波形。
为了便于分析，在高电平和低电平段设置了几个干扰尖峰脉冲，分别标记为A段和C段。
占空比信号的下降沿和上升沿分别标记为B段和D段。
微控制器根据计数时钟定期采样。
采样值中的“1”表示采样到的高电平为高电平，“0”表示采样到的低电平。
I/O端口对占空比信号输出端口的状态进行采样，并使用字节变量R来动态存储采样值。
控制器每次采样时，将变量R中的数据左移1个二进制位，去除R原来的最高位电平状态，并将当前时刻新的采样状态保存到R的最低位，并且变量 R 被更新。
状态存储器R存储最近8个采样周期的采样值。
图1中，从正常的下降沿过程（B节）可以看出，变量R中的数据经历了一个从所有位为1，到1和0共存，再到全为0的过程;然而，在高电平部分（SectionA）的干扰部分，变量R经历了从全1，到1和0混合，再回到全1的过程。
同样，正常的上升沿（ D段）变量R经历一个状态变化过程，其中所有位都是0，然后0和1共存，然后变为全1；在低电平部分（C部分）的干扰部分，变量R经历了从全0采样状态，到0和1混合，再回到全0的过程。
通过判断不同的变化通过对变量R中的数据在这四种情况下的处理，可以达到区分干扰和正常变化的目的。
这就是本设计中采用的软件滤波抗干扰方法的基本思想。
3 软件滤波算法的实现 3.1 软件滤波分析 根据软件滤波设计思想，当信号状态发生变化并进入中断时，由主程序调用滤波子程序。
图2所示为过滤程序流程。
通过对比图1中的四段来分析流程图，当边沿或干扰信号（信号周期大于计数时钟周期）到来时，满足VRS51L单片机的PWC计数停止条件，系统进入中断服务子程序。
在中断子程序中，首先复位脉宽计数条件，然后采样当前状态。
采样后，状态寄存器左移 1 位。
采样的高电平记为“1”，采样的低电平记为“1”。
“0”。
例如，在正常下降沿B段，之前的状态是在高电平段，初始状态变量Flag全为1，当出现低电平时，控制器进入中断，然后进行16次采样。
如前所述，系统处理的峰值干扰约为1～2ms，每个采样周期约为0.4ms。
尖峰干扰的脉冲宽度未达到8个采样周期。
系统设计采样 16 次，仅将最后 8 个存储的状态与原始状态进行比较。
如果最后采样的状态全为“0”，则与原来的状态相反，可以判断这是正常的下降沿。
如果干扰信号导致计数中断，如果前8个采样状态不全为“1”，后8个状态全为“1”，并且最终采样状态与原始状态相同，则可以判断：这是一个干扰信号，如A段。
在信号状态采样期间，满足计数条件时，PWC继续计数，直到真正的下降沿到来，计数停止并被保存，计数寄存器恢复为初始值，从而滤除干扰信号。
同样，在正常上升沿D段，存储器的原始状态为“0”。
上升沿之后，存储器状态为“1”。
与原来的状态相反，PWC 计数停止并被保存，计数寄存器恢复到初始值，中断子程序退出。
。
干扰信号出现后，采样状态与原始状态相同，可以滤除干扰尖峰。
如果想让脉宽计数更加准确，可以在前8个采样周期中确定系统的异常计数周期，然后将其添加到最终的计数周期中。
此时程序流程就体现了软件过滤功能。
3.2 源程序代码分析 对应的程序流程图为单片机通过P4.2口对ADXL输出通道进行采样滤波并完成脉宽计数的源程序。
源程序如下： 源程序中定义了三个变量，其中变量Flag存储的是原始状态值； FlagReg存储当前采样值；变量i记录采样次数；改变i的值可以控制滤除尖峰的等待时间。
程序通过将原始状态与当前采样状态之间的值进行异或来判断当前信号是有效信号还是干扰信号，然后相应处理上升沿或下降沿的中间跳变或尖峰干扰，并退出程序。
中断子程序。
达到对正常信号进行计数并滤除尖峰干扰的目的。
4 测试结果 由于条件限制以及干扰的随机性，基于ADXL的车载乡村指南针测试无法准确标定测量角度和方向角。
实验过程中，通过相同条件下同一物理量的多次测量的标准差来评估相应的算法。
测试结果如表1所示。
从实验测试的标准差可以看出，经过软件滤波后σ要小很多。
该软件滤波算法对于滤除尖峰干扰非常有效。
结论 本文提出的软件过滤算法速度快、代码效率高、过滤效果理想。
它是一种实用的数字滤波设计方法，体现了算法与具体硬件相结合的思想。
另一方面，当脉冲干扰较宽时，可以适当将内存变量扩展为多字节变量。
该算法还可以与 FPGA 结合用于其他需要更高计数精度且易受尖峰干扰的应用。
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