实验报告2.docx

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实验报告2

一、实验项目名称

MEMS陀螺仪和加速度计的信号采集

二、实验目的

1.掌握MEMS陀螺仪和加速度计的工作原理、数据输入/输出方式

2.熟悉数据采集模块硬件电路的设计原理、构成、数据采集上位机软件的使用

3.培养用Matlab对实验数据进行分析处理的能力

三、实验内容与实验步骤

1.画出MEMS陀螺仪和加速度计信号采集系统的工作原理框图

2.按要求正确连接MEMS陀螺仪和加速度计数据采集系统的线路

3.系统供电，借助上位机软件对实验数据进行观察、分析、与存储

4.设计实验数据表格，并记录实验数据

5.根据采集的实验数据，借助Matlab软件分别画出陀螺仪和加速度计的输出曲线、FFT频谱分析、数据平滑曲线、Allan方差曲线

（1）陀螺仪和加速度计的输出曲线：

（2）陀螺仪和加速度计的FFT频谱分析：

（3）陀螺仪和加速度计的数据平滑曲线:

（4）陀螺仪和加速度计的Allan方差曲线:

四、实验环境

24V直流供电电源、MEMS陀螺仪和加速度计、数据采集硬件电路、霍威电源模块、上位机

五、实验过程与分析

六、实验结果总结

七、思考题

1.传输的方式有哪些？

各有什么特点？

（1）并行传输与串行传输

并行传输指的是数据以成组的方式，在多条并行信道上同时进行传输。

常用的就是将构成一个字符代码的几位二进制码，分别在几个并行信道上进行传输。

例如，采用8单位代码的字符，可以用8个信道并行传输。

一次传送一个字符，因此收、发双方不存在字符的同步问题，不需要另加“起”、“止”信号或其他同步信号来实现收、发双方的字符同步，这是并行传输的一个主要优点。

但是，并行传输必须有并行信道，这往往带来了设备上或实施条件上的限制，因此，实际应用受限。

串行传输指的是数据流以串行方式，在一条信道上传输。

一个字符的8个二进制代码，由高位到低位顺序排列，再接下一个字符的8位二进制码，这样串接起来形成串行数据流传输。

串行传输只需要一条传输信道，易于实现，是目前主要采用的一种传输方式。

但是串行传输存在一个收、发双方如何保持码组或字符同步的问题，这个问题不解决，接收方就不能从接收到的数据流中正确地区分出一个个字符来，因而传输将失去意义。

如何解决码组或字符的同步问题，目前有两种不同的解决办法，即异步传输方式和同步传输方式。

（2）异步传输与同步传输

异步传输一般以字符为单位，不论所采用的字符代码长度为多少位，在发送每一字符代码时，前面均加上一个“起”信号，其长度规定为1个码元，极性为“0”，即空号的极性；字符代码后面均加上一个“止”信号，其长度为1或2个码元，极性皆为“1”，即与信号极性相同，加上起、止信号的作用就是为了能区分串行传输的“字符”，也就是实现串行传输收、发双方码组或字符的同步。

这种传输方式的特点是同步实现简单，收发双方的时钟信号不需要严格同步。

缺点是对每一字符都需加入“起、止”码元，使传输效率降低，故适用于1200bit／s以下的低速数据传输。

同步传输是以同步的时钟节拍来发送数据信号的，因此在一个串行的数据流中，各信号码元之间的相对位置都是固定的（即同步的）。

接收端为了从收到的数据流中正确地区分出一个个信号码元，首先必须建立准确的时钟信号。

数据的发送一般以组（或称帧）为单位，一组数据包含多个字符收发之间的码组或帧同步，是通过传输特定的传输控制字符或同步序列来完成的，传输效率较高。

2.滤波是对信号处理的重要手段，主要的滤波方式有哪些？

并简述各滤波方式的特点

（一）克服大脉冲干扰的数字滤波法：

克服由仪器外部环境偶然因素引起的突变性扰动或仪器内部不稳定引起误码等造成的尖脉冲干扰，是仪器数据处理的第一步。

通常采用简单的非线性滤波法。

1、限幅滤波法（又称程序判断滤波法）限幅滤波是通过程序判断被测信号的变化幅度，从而消除缓变信号中的尖脉冲干扰。

A、方法：

根据经验判断，确定两次采样允许的最大偏差值（设为A）每次检测到新值时判断：

如果本次值与上次值之差A,则本次值无效,放弃本次值,用上次值代替本次值

B、优点：

能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰

C、缺点无法抑制那种周期性的干扰平滑度差

D、适用范围:

变化比较缓慢的被测量值

2、中位值滤波法

中位值滤波是一种典型的非线性滤波器，它运算简单，在滤除脉冲噪声的同时可以很好地保护信号的细节信息。

A、方法：

连续采样N次（N取奇数）把N次采样值按大小排列（多采用冒泡法）取中间值为本次有效值

B、优点：

能有效克服因偶然因素引起的波动（脉冲）干扰

C、缺点：

对流量、速度等快速变化的参数不宜

D、适用范围：

对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果

3、算术平均滤波法算术平均滤波法是对N个连续采样值相加，然后取其算术平均值作为本次测量的滤波值。

A、方法：

连续取N个采样值进行算术平均运算N值较大时：

信号平滑度较高，但灵敏度较低N值较小时：

信号平滑度较低，但灵敏度较高N值的选取：

一般流量，N=12；压力：

N=4

B、优点：

对滤除混杂在被测信号上的随机干扰信号非常有效。

被测信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动

C、缺点：

不易消除脉冲干扰引起的误差。

对于采样速度较慢或要求数据更新率较高的实时系统，算术平均滤法无法使用的。

比较浪费RAM

4、递推平均滤波法（又称滑动平均滤波法）

对于采样速度较慢或要求数据更新率较高的实时系统，算术平均滤法无法使用的。

滑动平均滤波法把N个测量数据看成一个队列，队列的长度固定为N，每进行一次新的采样，把测量结果放入队尾，而去掉原来队首的一个数据，这样在队列中始终有N个“最新”的数据。

A、方法：

把连续取N个采样值看成一个队列，队列的长度固定为N，每次采样到一个新数据放入队尾,并扔掉原来队首的一次数据.（先进先出原则）把队列中的N个数据进行算术平均运算,就可获得新的滤波结果N值的选取：

流量，N=12；压力：

N=4；液面，N=4~12；温度，N=1~4

B、优点：

对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高适用于高频振荡的系统

C、缺点：

灵敏度低对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差不适用于脉冲干扰比较严重的场合比较浪费RAM

5、加权递推平均滤波法

A、方法：

是对递推平均滤波法的改进，即不同时刻的数据加以不同的权通常是，越接近现时刻的数据，权取得越大。

给予新采样值的权系数越大，则灵敏度越高，但信号平滑度低

B、优点：

适用于有较大纯滞后时间常数的对象和采样周期较短的系统

C、缺点：

对于纯滞后时间常数较小，采样周期较长，变化缓慢的信号不能迅速反应系统当前所受干扰的严重程度，滤波效果差

6、一阶滞后滤波法一阶低通数字滤波器是用软件的方法实现硬件的RC滤波，以抑制干扰信号。

在模拟量输入通道中，常用一阶滞后RC模拟滤波器来抑制干扰。

用此种方法来实现对低频干扰时，首先遇到的问题是要求滤波器有大的时间常数（时间常数=RC）和高精度的RC网络。

时间常数越大，要求RC值越大，其漏电流也必然增大，从而使RC网络精度下降。

采用一阶滞后的数字滤波方法，能很好的克服这种模拟量滤波器的缺点，在滤波常数要求较大的场合，此法更适合。

A、方法：

a=Tf/（Tf+T）Tf为滤波时间常数。

T为采样周期本次滤波结果=（1-a）*本次采样值+a*上次滤波结果

B、优点：

对周期性干扰具有良好的抑制作用适用于波动频率较高的场合

C、缺点：

相位滞后，灵敏度低滞后程度取决于a值大小不能消除滤波频率高于采样频率的1/2的干扰信号

7、中位值平均滤波法（又称防脉冲干扰平均滤法）

中位值平均滤波法相当于“中位值滤波法”+“算术平均滤波法”。

A、方法：

连续采样N个数据，去掉一个最大值和一个最小值然后计算N-2个数据的算术平均值N值的选取：

3~14

B、优点：

融合了两种滤波法的优点这种方法既能抑制随机干扰，又能滤除明显的脉冲干扰。

C、缺点：

测量速度较慢，和算术平均滤波法一样比较浪费RAM

8、限幅平均滤波法

在脉冲干扰较严重的场合，如采用一般的平均值法，则干扰会平均到结果中去。

限幅平均滤波法相当于“限幅滤波法”+“递推平均滤波法”

A、方法：

每次采样到的新数据先进行限幅处理，再送入队列进行递推平均滤波处理

B、优点：

融合了两种滤波法的优点，对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差

C、缺点：

比较浪费RAM

D、适用范围：

缓变信号