过采样技术在ADXL345加速度计中的应用：原理、配置与数据处理

过采样技术在ADXL345加速度计中的应用：原理、配置与数据处理

过采样技术是一种通过提高采样速率来改善数字传感器分辨率的方法。本文将详细介绍过采样技术在ADXL345三轴加速度计中的应用，包括其原理、具体配置步骤、数据处理方法以及噪声考虑因素，帮助读者在需要更高分辨率的应用场景中充分利用ADXL345的性能。

1. 过采样技术原理

• 模数转换基础：数字输出加速度计（如ADXL345）内部包含固定分辨率的ADC。过采样技术通过以更高的速率采样模拟信号，结合数字滤波和抽取技术来提高分辨率。其基本原理是将总量化噪声分散到更高的带宽，然后通过滤波减少噪声，从而在保持信噪比的前提下提高分辨率。

• 过采样系数与分辨率关系：过采样系数决定了输出数据速率比所需速率高出多少倍。例如，过采样系数为4时可以提高1 LSB的分辨率，系数为16时可以提高2 LSB的分辨率，同时信噪比也会相应提高。

2. ADXL345中的过采样实现

• 器件特性：ADXL345是一款三轴加速度计，内部包含13位ADC和32级FIFO（每轴），支持灵活配置输出数据速率和中断系统，非常适合进行过采样操作。

• 输出数据速率设置：首先根据所需的分辨率提升程度确定过采样系数（例如，提高1 LSB选择系数4，提高2 LSB选择系数16），然后根据应用所需的最终数据速率设置传感器的输出数据速率。例如，如果需要12.5 Hz的数据速率且希望提高1 LSB的分辨率，可以将ADXL345的数据速率设置为50 Hz，并在BW_RATE寄存器中进行相应的配置。

• FIFO设置：当FIFO中的数据量达到预设的过采样系数值时会触发水印（WM）中断。这种中断机制可以在FIFO模式或流模式下使用。通过FIFO_CTL寄存器设置产生WM中断所需的数据量，INT_ENABLE寄存器使能WM中断，INT_MAP寄存器则用于分配WM中断到INT1或INT2引脚，具体设置方法可参考相关手册。

3. 数据处理与实例

• 数据读取与格式：通过访问数据寄存器（每轴两字节）读取ADXL345的数据，数据格式遵循特定的规范（例如，在±2g模式下采用右对齐数据格式），且数据以二进制补码形式表示。

• 微处理器处理流程：按照所需的数据速率配置ADXL345以产生WM中断，处理器读取对应过采样系数的数据量，然后通过数字滤波和抽取（例如求平均值）处理这些数据，以获得所需的分辨率。具体来说，当过采样系数为4时，需要将数据相加后除以2；当系数为16时，则需要除以4。

• 实例说明：以输出数据速率为200 Hz、过采样系数为4为例，当FIFO中存储了16组数据时会触发WM中断。处理过程包括将四个数据相加后除以2，从而实现1 LSB的分辨率提升。需要注意的是，由于数据采用二进制补码表示，除法运算可能会影响最终结果的准确性。

4. 噪声考虑因素

过采样技术主要改善的是ADC的量化误差，而ADXL345的噪声特性主要表现为白噪声。输出噪声的大小可以通过噪声密度和数字滤波器的性能来计算。下图展示了使用移动平均数滤波器（16倍过采样，提高2 LSB，输出数据速率100 Hz）的增益响应，有助于理解噪声处理的效果。