摘  要： 在Linux下通過串口編程對MEMS IMU數(shù)據(jù)采集和解算，實(shí)現(xiàn)了其高速實(shí)時采集。其中，設(shè)計(jì)的IIR低通濾波器有效消除了信號中的噪聲成分，并通過Qt編程設(shè)計(jì)了應(yīng)用程序窗口將MEMS IMU的輸出數(shù)據(jù)動態(tài)顯示在ARM開發(fā)板上。該設(shè)計(jì)在小體積、低功耗、低成本的慣性測量中具有重要的工程應(yīng)用意義，可廣泛應(yīng)用于動態(tài)測量、動態(tài)控制、輔助導(dǎo)航等領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞： ARM-Linux；MEMS IMU；慣性測量；數(shù)據(jù)采集；IIR濾波器

    微機(jī)械慣性器件是集微型精密機(jī)械、微電子學(xué)、半導(dǎo)體集成電路等新技術(shù)于一身的世界前沿新技術(shù)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，目前微機(jī)械慣性器件憑借其價格低、可靠性高、尺寸小、重量輕等特點(diǎn)引起了國內(nèi)慣性技術(shù)及微電子技術(shù)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。以陀螺儀和加速度計(jì)為核心部件的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)已成為現(xiàn)代飛機(jī)、大型艦只和潛艇的一種重要導(dǎo)航設(shè)備，在其他一些民用領(lǐng)域中也有著十分廣泛和重要的應(yīng)用。以慣性系統(tǒng)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的慣性測量和慣性定位系統(tǒng)，可以用于大地測量、地圖繪制、海洋調(diào)查、地球物理勘探、管道鋪設(shè)選線、石油鉆井定位和機(jī)器人等需要大范圍測量及精確定位的場合[1]。
    本文在嵌入式Linux環(huán)境下使用ARM9開發(fā)板實(shí)現(xiàn)了對IMU輸出數(shù)據(jù)的采集和動態(tài)顯示，為進(jìn)一步的工程應(yīng)用打下基礎(chǔ)。
1 微慣性測量單元IMU
    微慣性測量單元由6個傳感器組成，包括3個微機(jī)械陀螺儀和3個微機(jī)械加速度計(jì)，配置在立方體的3個正交平面上。其基本原理為古典的牛頓力學(xué)原理，由三根軸的陀螺確定載體的姿態(tài)，安裝在三根軸上的加速度計(jì)測出載體的加速度值，積分得到速度，再積分得到位移[1，2]。
    本文所采用的慣性測量單元為XW-IMU5200。它以DSP為核心處理器，采用16 bit高精度多通道并行A/D轉(zhuǎn)換。其A/D轉(zhuǎn)換器的采樣率至少是慣性傳感器帶寬的4倍，能夠保持慣性傳感器的固有頻率。6路并行采集通道可實(shí)時接收加速度計(jì)和陀螺儀以及溫度傳感器的信號，保證了數(shù)據(jù)采集的一致性。圖1所示為本文所采用的XW-IMU5200的外觀。

    XW-IMU5200內(nèi)部有一個0.8 μs的計(jì)時器。計(jì)時器計(jì)數(shù)從0～216，然后開始新的周期（高位溢出后繼續(xù)）。每個數(shù)據(jù)周期中，在讀取內(nèi)部計(jì)時器之前和之后，分別對兩組慣性測量數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，然后將得到的數(shù)據(jù)做數(shù)字濾波并封裝；慣性測量數(shù)據(jù)、計(jì)時器數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)通過XW-IMU5200的RS232口送出。
    如圖2所示，Ti是周期的起點(diǎn)。從Ti到Ti1為0.1 ms，實(shí)現(xiàn)第一組數(shù)據(jù)的采樣；從Ti1到Ti2為1 ms，讀取內(nèi)部計(jì)時器；從Ti2到Ti3為0.1 ms ，實(shí)現(xiàn)第二組數(shù)據(jù)的采樣；從Ti3到Ti4進(jìn)行濾波并封裝數(shù)據(jù)，對IMU為1.8 ms， 對IMU而言，最大數(shù)據(jù)輸出速率約為100 Hz，波特率為115 200 b/s。

    XW-IMU5200的測量數(shù)據(jù)包為19 bit，其定義如表1所示，數(shù)據(jù)為Little Endian格式，即低位(LSB)字節(jié)在先。

2 Arm-linux環(huán)境下的MEMS IMU數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)
2.1 交叉編譯環(huán)境的建立
    本設(shè)計(jì)所采用的ARM9開發(fā)板為S3C2440處理器，內(nèi)嵌Linux系統(tǒng)。
    因嵌入式開發(fā)一般需要在PC機(jī)上進(jìn)行，需要在宿主機(jī)建立交叉編譯環(huán)境，以下給出建立交叉編譯環(huán)境的步驟：
    (1)安裝linux環(huán)境；
    (2)下載交叉編譯文件包 cross-2.95.3.tar.bz2；
    (3)建立交叉編譯環(huán)境目錄  /usr/local/arm/；
    (4)復(fù)制安裝包到目錄下，在此目錄下解包文件，命令為：tar jxvf cross-2.95.3.tar.bz2；
    (5)配置環(huán)境變量，修改bashrc文件，在文件最后一行添加環(huán)境變量，代碼為export。
    PATH=/usr/local/arm/2.95.3/bin: $PATH，保存退出后重啟Linux。
    至此，交叉編譯環(huán)境建立完成。
2.2 串口通信的實(shí)現(xiàn)
    本設(shè)計(jì)所采用的微慣性單元數(shù)據(jù)通過RS232串口輸出，同時所使用的ARM開發(fā)板上也附有串口，因此完成數(shù)據(jù)采集必須通過串口通信。
    串口通信是儀器儀表設(shè)備通用的通信方式，它用于ASCII碼的字符傳輸，主要由地線、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)線3根數(shù)據(jù)線完成，其他線用于握手。
    串口通信的最重要的參數(shù)配置是：波特率、數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位，在進(jìn)行串口通信時，必須正確設(shè)置參數(shù)。Linux中所有的設(shè)備一般位于/dev下，串口1和2的名稱分別為/dev/ttyS0和/dev/ttyS1.通過對struct termios結(jié)構(gòu)體的各成員值的設(shè)置來進(jìn)行串口設(shè)置，如下：
    #include<termios.h>
    Struct termio
    {
    unsigned short c_iflag; /*輸出控制模式標(biāo)志*/
    unsigned short c_oflag; /*輸出模式標(biāo)志*/
    unsigned short c_cflag; /*控制模式標(biāo)志*/
    unsigned short c_lflag; /*本地模式標(biāo)志*/
    unsigned char c_line;  /*行標(biāo)志*/
    unsigned char c_cc[NCC; /*控制字符*/
    }；
    其中，c_cflag包含對數(shù)據(jù)傳輸率、字符大小、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)位和硬件流控的設(shè)置。
    串口配置主函數(shù)如下：
    int main(void)
    {
        int fd;
        int nread,i;
        char buff[512]="0";
        if((fd=open_port(fd,1))<0)
        {
          perror("open_port error");
          return;
        }
        if((i=set_opt(fd,38400,8,'N',1))<0)
        {
          perror("set_opt error");
          return;
        }
        printf("fd=%d\n",fd);
          while(1)
        {
          while((nread = read(fd,buff,sizeof(buff)))>0)
        {
          if(buff[i]==0xaa&&buff[i+1]==0x18)；
          printf("header found\n ");
          }
        }
          close(fd);
          return;
    }
    串口波特率為9 600 b/s，數(shù)據(jù)位為8 bit，無奇偶校驗(yàn)位，1 bit停止位。對于串口的操作同讀寫文件，使用read、write函數(shù)。如上串口調(diào)通后，根據(jù)產(chǎn)品的解碼進(jìn)行數(shù)據(jù)的解算，其算法可表示為：
    IMU_meas.gyro[i]=IMU_data.gyro[i]*G_S/SCALAR;
    //陀螺儀輸出數(shù)據(jù)解算,i取值1、2、3分別代表正交方向三路陀螺儀
    IMU_meas.acc[i]=IMU_data.acc[i]*A_S/SCALAR;  //加速度計(jì)輸出數(shù)據(jù)解算，i取值1、2、3，分別代表三路加速度計(jì)
    本文忽略溫度信息只考慮6路傳感器信息，其中G_S為陀螺儀的角度范圍，A_S為加速度計(jì)測量范圍，scalar為常值215。
2.3 數(shù)字低通濾波
    低通濾波屬于經(jīng)典濾波的范疇，它通過一定的運(yùn)算關(guān)系改變輸入信號頻率成分的相對比例或?yàn)V除某些頻率成分，對MEMS IMU進(jìn)行濾波的目的就是盡量濾除信號中的各種噪聲成分，因?yàn)镸EMS IMU輸出信號的有用成分基本位于低頻段，加之實(shí)時性能的要求，這里只選擇相比FIR濾波器階次低得多的IIR濾波器[3]。
    隨機(jī)采集一組數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波說明，如圖3為轉(zhuǎn)臺靜止?fàn)顟B(tài)下y軸MEMS陀螺儀輸出的5 000點(diǎn)數(shù)據(jù)，采樣頻率為100 Hz。

    為了確定濾波器的通帶截止頻率，對這組數(shù)據(jù)進(jìn)行Yule Walker功率譜密度分析[5]，為了獲得較高的精度，此處取AR模型的階數(shù)為30，功率譜密度分析結(jié)果如圖4所示。

    從圖4中可以看出陀螺儀輸出信號中存在兩個明顯的尖峰，分別位于14.6 Hz和28.5 Hz處，所以通帶的截止頻率必須小于14.6 Hz。這兩個尖峰是指陀螺儀輸出數(shù)據(jù)隨機(jī)誤差的正弦成分，由圖中可知它們對陀螺儀輸出數(shù)據(jù)的零點(diǎn)漂移起主導(dǎo)作用?？紤]到過渡帶寬的因素，截止頻率的設(shè)置最大也應(yīng)為7 Hz左右。但這一濾波器的任務(wù)除了要濾除正弦成分外，也應(yīng)該濾除大部分的近似白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的噪聲成分，并且在沒有噪聲情況下陀螺儀的輸出數(shù)據(jù)應(yīng)為常數(shù)，所以截止頻率設(shè)得越低越好。
    設(shè)計(jì)IIR數(shù)字低通濾波器必須確定的另一個重要參數(shù)是濾波器的階數(shù)。階數(shù)低時，濾波時延較小，但過渡帶寬過大，濾波效果不明顯，階數(shù)高時，過渡帶寬較小，但濾波時延較大。為了既能獲得較好的濾波效果，又能夠最大限度地滿足實(shí)時應(yīng)用，在選擇濾波器的階數(shù)時需要做折中考慮。基于以上分析，選擇具有單調(diào)下降幅頻特性的巴特沃斯濾波器。
    采用巴特沃斯直接型結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)函數(shù)為：
  
通過分析比較，當(dāng)通帶截止頻率設(shè)為4 Hz左右、濾波器階數(shù)設(shè)為4時，能得到理想的綜合濾波效果。圖5所示為濾波后的數(shù)據(jù)。

    對濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行Yule Walker功率譜密度分析，結(jié)果如圖6所示。

    比較圖4和圖6可以看出，濾波后的功率譜密度原來的兩個尖峰完全消失了，除0 Hz附近整體變得十分平坦。這正是期望的濾波效果，說明設(shè)計(jì)的濾波器達(dá)到了預(yù)期的濾波目的。計(jì)算濾波前后的均值與方差，結(jié)果如表2所示。

    可以看出，濾波后的均值與濾波前的均值相比在誤差允許的范圍內(nèi)可以認(rèn)為是相等的，濾波后的方差比濾波前的方差小兩個數(shù)量級。這說明合理地選擇巴特沃斯數(shù)字低通濾波器的截止頻率和階數(shù)， MEMS陀螺儀輸出

的數(shù)據(jù)可產(chǎn)生較好的濾波效果。通過計(jì)算得出低通濾波器的權(quán)系數(shù)ak和br，便可根據(jù)差分方程編制C語言程序。
2.4 輸出數(shù)據(jù)基于Qt的界面顯示
    Qt是一個跨平臺的C++圖形界面庫，主要通過匯集C++類的形式來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序界面開發(fā)所需要的一切，包括Qt/X11、Qt Embedded、Qtdesigner和Qt linguist等[4]。Qt是基于面向?qū)ο蟮腃++語言，它提供了signal(信號)和slot(槽)的對象通信機(jī)制，具有可查詢和設(shè)計(jì)的屬性以及強(qiáng)大的事件和事件過濾器。本文主要用到其面向嵌入式開發(fā)的Qt Embedded及其設(shè)計(jì)器Qtdesigner。
    Qt界面開發(fā)通常有以下步驟：
    (1)用Qt生成file.ui和main.cpp；
    (2)用uic生成file.h和file.cpp；
    (3)用qmake生成file.pro；
    (4)通過./setenv命令設(shè)置環(huán)境變量；
    (5)用tmake生成二進(jìn)制代碼。
    主函數(shù)部分如下：
int main( int argc, char ** argv)
{
    QApplication a(argc, argv);
    IMU_display w;   
    QTimer *t = new QTimer(&w );
a.connect(t,SIGNAL(timeout()),&w,SLOT(imu()));
    t->start( 10, FALSE);
    w.show();
a.connect(&a,SIGNAL(lastWindowClosed()),&a, SLOT(quit()) );
    return a.exec();
}
    IMU數(shù)據(jù)輸出速率為100 Hz，將Qtimer定時器設(shè)置為10 ms刷新一次，保證數(shù)據(jù)輸出的完整性。IMU數(shù)據(jù)的具體輸出可以進(jìn)行定制。在上位機(jī)開發(fā)完系統(tǒng)之后，可以利用虛擬幀緩存技術(shù)(qvfb)技術(shù)在PC機(jī)上測試Qt/Embedded 程序。經(jīng)過反復(fù)的測試修改，測試成功之后制作圖標(biāo)和桌面啟動器，通過minicom拷貝到ARM-Linux系統(tǒng)下的指定目錄，便完成了程序的開發(fā)工作，需要注意的是交叉編譯前需要將程序中上位機(jī)的串口名改為ARM開發(fā)板的指定串口名，否則程序?qū)⒉粫＿\(yùn)行。
    本文實(shí)現(xiàn)了ARM-Linux環(huán)境下對于MEMS IMU的數(shù)據(jù)采集處理，功耗低、成本低、體積小，可廣泛應(yīng)用到各種慣性測量領(lǐng)域。文中所述IIR數(shù)字低通濾波器，設(shè)計(jì)簡單，適合運(yùn)用于有用信號和噪聲的頻帶不重疊的非高速變化運(yùn)動的場合。其不足之處在于雖然可以取得較為理想的濾波效果，但同時產(chǎn)生了一定的延遲，所以不適合對于實(shí)時性要求很高的慣性測量場合，但可以通過改進(jìn)濾波算法來實(shí)現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
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[2] 牛徐明,王田苗,梁建宏.基于ARM與MEMS器件的微慣性測量裝置設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2007，7（3）：62-64.
[3] 丁楊斌,王新龍,王縝,等.數(shù)字濾波在光纖陀螺數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用研究[J].傳感器世界，2005，11（11）：13-16.
[4] 倪繼利.Qt及Linux操作系統(tǒng)窗口設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.
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