專利名稱：一種慣性傳感器imu信號模數(shù)轉換模塊的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種慣性傳感器IMU信號模數(shù)轉換模塊，特別適用于捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)慣性傳感器信號采集、故障診斷及數(shù)據(jù)精度標定方法。
背景技術：
進入21世紀以來，使用捷聯(lián)式系統(tǒng)代替平臺式系統(tǒng)完成導航任務，已經成為新世紀慣性技術發(fā)展的趨勢。由于飛機、戰(zhàn)術導彈、魚雷的導航系統(tǒng)具有中等精度與低成本的要求，采用捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)十分適宜，因此在這些領域中已經廣泛采用捷聯(lián)式系統(tǒng)。據(jù)有關資料報道，1984年以前美國軍用慣導系統(tǒng)全部為平臺式慣導系統(tǒng)，到了 1989年已有一半改為捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)，而到1994年捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)己占有了 90 %的比重。慣性傳感器IMU (包括陀螺儀和加速度計)是捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)最核心的原件，捷聯(lián)系統(tǒng)根據(jù)慣性傳感器輸出的信息(陀螺儀敏感運動載體的角速率，加速度計敏感運動載體的線加速度)根據(jù)捷聯(lián)算法計算出運動載體的姿態(tài)角、速度和位置等導航參數(shù)，因此IMU的數(shù)據(jù)采集與預處理顯得極為重要。首先在捷聯(lián) 導航系統(tǒng)中陀螺儀和加速度計的輸出信號具有信號微弱、干擾大、噪音多等特點，在進行采樣前必須先進行預處理，將信號放大、濾波及整流后才能使用。其次，捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)擁有導航信息更新率較高的特點，一般采樣頻率得到IOOHz或者200Hz甚至更高，如此高的頻率必然對所有陀螺儀和加速度計的采樣同步性提出更高的要求。再次，IMU屬于高精度敏感元件，器件特性及精度受溫度等物理量影響較大，因此，亟需實時監(jiān)測頂U及內部工作環(huán)境溫度，供構建溫度補償模型并采用數(shù)據(jù)擬合等標定方法提高MU輸出精度。最后，捷聯(lián)系統(tǒng)由于其誤差隨時間增大的缺點促使人們經常將其與其他導航系統(tǒng)組合使用，如捷聯(lián)/GPS組合系統(tǒng)等，因此對組合導航系統(tǒng)的故障自診斷特性及容錯性提出更高的要求，首先需要在硬件上實時查詢IMU的工作狀態(tài)，當出現(xiàn)故障時能夠及時報錯。本發(fā)明針對以上問題設計了一種慣性傳感器MU信號模數(shù)轉換模塊，實現(xiàn)了200Hz的高速同步采樣，并且在采樣前對陀螺儀和加速度計信號進行了兩級運放預處理，將信號放大、濾波及整流后使用，采樣后進行實時數(shù)據(jù)建模及補償提高其采樣精度。同時實時報告IMU故障及工作溫度，提高捷聯(lián)系統(tǒng)和組合導航系統(tǒng)的可靠性及容錯性。

發(fā)明內容
本發(fā)明的技術解決問題是:克服現(xiàn)有技術的不足，設計一種慣性傳感器IMU信號模數(shù)轉換模塊，特別適用于捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)慣性傳感器信號采集、故障診斷及數(shù)據(jù)精度標定方法。本發(fā)明的技術解決方案為:
一種慣性傳感器MU信號模數(shù)轉換模塊，其包括慣性傳感器MU模擬信號預處理模塊和模數(shù)轉換、自診斷與數(shù)據(jù)平滑模塊，其特征在于:所述IMU模擬信號預處理模塊中將3路動調撓性陀螺儀和3路石英加速度計輸出的模擬電流信號分別經過3路高精度陀螺儀信號采樣電阻和3路高精度加速度計信號采樣電阻轉換為電壓信號，3路高精度陀螺儀信號分別經過3路前向濾波通道進行濾波，3路加速度計信號分別經過3路前向濾波通道進行濾波；
所述3路前向濾波通道輸出的3路陀螺儀模擬信號分別經過所述模數(shù)轉換、自診斷與數(shù)據(jù)平滑模塊中的3片16位模數(shù)轉換ADC芯片進行模數(shù)轉換，得到串行轉換數(shù)據(jù)，再經過I片現(xiàn)場可編輯邏輯芯片CPLD進行串行數(shù)據(jù)到并行數(shù)據(jù)的轉換得到16位IMU并行轉換數(shù)據(jù)；
所述3路前向濾波通道輸出的3路加速度計模擬信號分別經過所述模數(shù)轉換、自診斷與數(shù)據(jù)平滑模塊中的3片16位模數(shù)轉換ADC芯片進行模數(shù)轉換，得到串行轉換數(shù)據(jù)，再經過I片現(xiàn)場可編輯邏輯芯片CPLD進行串行數(shù)據(jù)到并行數(shù)據(jù)的轉換得到16位IMU并行轉換數(shù)據(jù)；
高速微控制單元MCU通過8位數(shù)據(jù)總線分時獲取所述16位MU并行轉換數(shù)據(jù)、頂U故障診斷監(jiān)測信號和溫度傳感器芯片測量的溫度值，以固定報文格式經光耦隔離與電平轉換裝置后發(fā)送給導航計算機系統(tǒng)，同時通過RS422串口接收導航計算機系統(tǒng)傳送過來的200Hz時鐘信號對IMU采樣頻率進行控制。本發(fā)明還包括以下特征:
1.所述的6路前向濾波通道中每路濾波通道由兩片運算放大器0P177組成，第一片完成電壓濾波，第二片完成電壓跟隨，同時在輸出末端增加由整流二極管和穩(wěn)壓二極管構成的限幅電路，將輸出電壓控制在-5V到+5V之間。2.所述的6片16位ADC芯片選用MAX195芯片，電源為+5V和-5V，參考電壓為+4.096V,且配置為雙極性模式，即輸入電壓范圍為-4.096V到+4.096V, CPLD控制6片MAX195同步采樣。3.所述2片CPLD采用ALTERA 7160STC100芯片，一片CPLD將3路動調撓性陀螺儀串行數(shù)據(jù)轉換為并行數(shù)據(jù)，另一片CPLD將3路石英加速度計串行數(shù)據(jù)轉換為并行數(shù)據(jù)，所述2片CPLD中均使用7474對6M時鐘進行分頻得到1.5M時鐘作為所述MAX195的轉換時鐘信號AD_CLK，將所述高速MCU的P2腳與所述AD_CLK相“或”得到的信號作為所述MAX195的轉換開始信號，所述2片CPLD中均使用6片8位輸出移位寄存器74595，每路使用2片，將串行數(shù)據(jù)轉換為16位的并行數(shù)據(jù)，所述6片MAX195的轉換完成信號均取反相再相“或”得到的信號輸入所述高速MCU外部中斷O引腳，該信號通知所述MCU讀取所述CPLD輸出的16位并行數(shù)據(jù)，同時所述CPLD通過所述高速MCU讀取所述IMU故障診斷監(jiān)測信號，所述移位寄存器74595通過所述高速MCU根據(jù)地址譯碼進行片選讀取各路并行轉換結果。4.所述高速MCU選用WINB0ND77E58，外部配置看門狗芯片MAX813L，選用引腳5和引腳7配置為I2C總線對所述溫度傳感器芯片進行控制，并讀取溫度值，所述200Hz時鐘信號輸入外部中斷I引腳，通過中斷服務程序完成對所述看門狗芯片MAX813L的循環(huán)寫操作和控制所述MAX195的采樣頻率。5.所述光稱隔離與電平轉換裝置選用2片HCPL2630作為光稱隔離器件，I片用于隔離所述200Hz時鐘，I片 用于隔離所述高速MCU串口發(fā)送報文信號，選用MC3486實現(xiàn)導航計算機系統(tǒng)的200Hz時鐘RS422到TTL電平轉換，選用MC3487實現(xiàn)所述高速MCU串口數(shù)據(jù)的TTL到RS422電平轉換。
本發(fā)明的原理:
一種慣性傳感器MU信號模數(shù)轉換模塊，其包括慣性傳感器MU模擬信號預處理模塊和模數(shù)轉換、自診斷與數(shù)據(jù)平滑模塊，其特征在于:
所述IMU模擬信號預處理模塊中將3路動調撓性陀螺儀和3路石英加速度計輸出的模擬電流信號分別經過3路高精度陀螺儀信號采樣電阻和3路高精度加速度計信號采樣電阻轉換為電壓信號，3路高精度陀螺儀信號分別經過3路前向濾波通道進行濾波，3路加速度計信號分別經過3路前向濾波通道進行濾波；
所述3路前向濾波通道輸出的3路陀螺儀模擬信號分別經過所述模數(shù)轉換、自診斷與數(shù)據(jù)平滑模塊中的3片16位模數(shù)轉換ADC芯片進行模數(shù)轉換，得到串行轉換數(shù)據(jù)，再經過
I片現(xiàn)場可編輯邏輯芯片CPLD進行串行數(shù)據(jù)到并行數(shù)據(jù)的轉換得到16位IMU并行轉換數(shù)據(jù)；
所述3路前向濾波通道輸出的3路加速度計模擬信號分別經過所述模數(shù)轉換、自診斷與數(shù)據(jù)平滑模塊中的3片16位模數(shù)轉換ADC芯片進行模數(shù)轉換，得到串行轉換數(shù)據(jù)，再經過I片現(xiàn)場可編輯邏輯芯片CPLD進行串行數(shù)據(jù)到并行數(shù)據(jù)的轉換得到16位IMU并行轉換數(shù)據(jù)；
高速微控制單元MCU通過8位數(shù)據(jù)總線分時獲取所述16位IMU并行轉換數(shù)據(jù)、IMU故障診斷監(jiān)測信號和溫度傳感器芯片測量的溫度值，以固定報文格式經光耦隔離與電平轉換裝置后發(fā)送給導航計算機系統(tǒng)，同時通過RS422串口接收導航計算機系統(tǒng)傳送過來的200Hz時鐘信號對MU采樣頻率進行控制。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于:
(1)本發(fā)明能夠適用于任何一種模擬信號輸出的IMU的6路數(shù)據(jù)采集，并且擁有高精度、采樣頻率高等特點；
(2)本發(fā)明采用MCU與CPLD控制IMU的絕對同步采樣、建模及標定，具有成本低、精度擬合好、聞速串口等優(yōu)點；
(3)本發(fā)明能夠實時監(jiān)控IMU工作環(huán)境溫度及報告IMU故障，具有可靠性強及容錯性聞的優(yōu)點。


圖1為MU數(shù)據(jù)采集原理 圖2為單路前向濾波通道電路 圖3為MAX195采樣開始信號生成原理 圖4為CPLD串行數(shù)據(jù)轉并行數(shù)據(jù)原理 圖5為慣性傳感器故障自診斷原理 圖6為高速MCU訪問DS1621流程 圖7為高速MCU主程序流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。(1)圖2為所述前向濾波通道單路通道電路圖。每路前向濾波通道中使用2片運算放大器0P177，采用兩級濾波的結構，第一級由兩級R (電阻)C (電容)濾波環(huán)節(jié)和同相比例集成運放0P177組成有源低通濾波器，其中第一級電容C接至輸出端，引入適當?shù)恼答?，以改善幅頻特性。其功能是抑制高頻信號。第二級為由I片0P177構成的電壓跟隨電路，起到緩沖、隔離、提高帶負載能力的作用。同時在濾波電路輸出的末端增加了由整流二極管和穩(wěn)壓二極管構成的限幅電路，整流二極管選用IN4007，正向壓降為0.7V，穩(wěn)壓二極管選用ZMM3V6ST，將輸出電壓控制在-5疒+5V之間，起到限壓保護作用，防止電路中的瞬時脈沖尖峰電壓(浪涌電壓)對電路產生影響。(2)圖3為MAX195采樣開始信號生成原理圖，圖中CLK為所述6M時鐘信號，經過7474四分頻電路后由引腳2Q輸出所述1.5M時鐘信號AD_CLK，用于所述6片MAX195的工作時鐘，該信號與圖中START信號(為所述MCU的P2腳輸出信號)相“或”生成的所述CONV信號用于啟動6片MAX195開始采樣。設計原理是:根據(jù)MAX195的工作時序，要求在使用中CONV信號必須與AD_CLK同步，即應確保CONV信號在轉換時鐘AD_CLK為低時出現(xiàn)，并且至少保持40ns的時間。因此將所述高速MCU的P2腳作為啟動信號START，與AD_CLK相“或”后再作為MAX195轉換信號CONV，這樣，在START信號處于低電平時，確保了 AD_CLK與CONV的同步，并且所述高速MCU通過發(fā)送低脈沖信號控制所述MAX195模數(shù)轉換的開始。(3)圖4為CPLD串行數(shù)據(jù)轉并行數(shù)據(jù)原理圖。該圖為一片MAX195串行數(shù)據(jù)轉換為并行數(shù)據(jù)，其他MAX195以此類推。圖中使用2片74595，MAX195模數(shù)轉換結束信號EOC與所述AD_CLK信號相“與”取反信號接至74595數(shù)據(jù)寄存器移位時鐘SRCLK，EOC信號取反接至74595RCLK端，當MAX195模數(shù)轉換結束后，RCLK收到一個上升沿，此時將16位轉換結果分別在2片74595的輸出端QA QH輸出。，每片MAX195的EOC信號E0C1 E0C6取反相“或”接至所述MCU的外部中斷O輸入端，通知MCU讀取前一次的16位轉換值。每片74595的QA QH端均接至MCU的8位數(shù)據(jù)總線D0 D7，所述MCU的地址A8，A9和AlO通過38譯碼器74138對每片74595進行選址讀取各自的8位轉換值。(4)圖5為所述慣性傳感器故障自診斷原理圖。圖中，DIAGfDIAGS對應陀螺儀和加速度計的故障位，依次為溫 度控制是否到位標志、激磁電源故障、陀螺2電源故障、陀螺I電源故障、陀螺2的Y軸信號故障、陀螺2的X軸陀螺信號故障、陀螺I的Y軸信號故障、陀螺I的X軸信號故障。8位故障碼由高速MCU的A8、A9和AlO地址線通過74138進行選址讀取。(5)圖6為所述高速MCU通過〖 訪問所述溫度傳感器芯片DS1621流程圖。首
先高速MCU需要啟動總線，接著通過發(fā)送DS1621地址和寫命令的方式對DS1621進行配置，若DS1621返回應答信號則高速MCU發(fā)送“溫度輸出”指令，若DS1621返回應答信號則高速MCU重新啟動總線發(fā)送DS1621地址并執(zhí)行讀取溫度操作，返回非應答位并結束 7ζ.總線。高速MCU與DS1621進行通訊時，高速MCU作為主機，DS1621作為從器件，遵循I T總線協(xié)議。(6)圖7為高速MCU主程序流程圖。首先進行變量定義和初始化，外部中斷及串口初始化，延時5s后對AD芯片進行自檢，判斷外部200Hz時統(tǒng)是否到來，一旦到來后開始啟動AD轉換指令，當6路AD全部轉換完成時讀取轉換結果，按照同樣的方法采樣256次并求和，對結果進行數(shù)據(jù)建模、標定及補償。讀取故障碼和溫度值，組織報文并通過串口發(fā)送。再重復以上流程。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出:對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍 。
權利要求
1.一種慣性傳感器IMU信號模數(shù)轉換模塊，其包括慣性傳感器IMU模擬信號預處理模塊(I)和模數(shù)轉換、自診斷與數(shù)據(jù)平滑模塊(2)，其特征在于: 所述IMU模擬信號預處理模塊(I)中將3路動調撓性陀螺儀(3)和3路石英加速度計(4)輸出的模擬電流信號分別經過3路高精度陀螺儀信號采樣電阻(5)和3路高精度加速度計信號采樣電阻(6)轉換為電壓信號，3路高精度陀螺儀信號分別經過3路前向濾波通道(7)進行濾波，3路加速度計信號分別經過3路前向濾波通道(8)進行濾波； 所述3路前向濾波通道(7)輸出的3路陀螺儀模擬信號分別經過所述模數(shù)轉換、自診斷與數(shù)據(jù)平滑模塊(2)中的3片16位模數(shù)轉換ADC芯片(9)進行模數(shù)轉換，得到串行轉換數(shù)據(jù)，再經過I片現(xiàn)場可編輯邏輯芯片CPLD (11)進行串行數(shù)據(jù)到并行數(shù)據(jù)的轉換得到16位IMU并行轉換數(shù)據(jù)； 所述3路前向濾波通道(8)輸出的3路加速度計模擬信號分別經過所述模數(shù)轉換、自診斷與數(shù)據(jù)平滑模塊(2)中的3片16位模數(shù)轉換ADC芯片(10)進行模數(shù)轉換，得到串行轉換數(shù)據(jù)，再經過I片現(xiàn)場可編輯邏輯芯片CPLD (12)進行串行數(shù)據(jù)到并行數(shù)據(jù)的轉換得到16位IMU并行轉換數(shù)據(jù)； 高速微控制單元MCU (14)通過8位數(shù)據(jù)總線分時獲取所述16位IMU并行轉換數(shù)據(jù)、MU故障診斷監(jiān)測信號(13)和溫度傳感器芯片(15)測量的溫度值，以固定報文格式經光耦隔離與電平轉換裝置(16)和(17)后發(fā)送給導航計算機系統(tǒng)(18)，同時通過RS422串口接收導航計算機系統(tǒng)(18)傳送過來的200Hz時鐘信號對IMU采樣頻率進行控制。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種慣性傳感器IMU信號模數(shù)轉換模塊，其特征在于:所述的3路前向濾波通道(7)和(8)中每路濾波通道由兩片運算放大器OP177組成，第一片完成電壓濾波，第二片完成電壓跟隨，同時在輸出末端增加由整流二極管和穩(wěn)壓二極管構成的限幅電路，將輸出電壓控制在-5V到+5V之間。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種慣性傳感器IMU信號模數(shù)轉換模塊，其特征在于:所述的6片16位ADC芯片(9)和(10)選用MAX195芯片，電源為+5V和-5V，參考電壓為+4.096V,且配置為雙極性模式，即輸入電壓范圍為-4.096V到+4.096V，所述CPLD (11)和(12)控制6片MAX195同步采樣。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種慣性傳感器IMU信號模數(shù)轉換模塊，其特征在于:所述CPLD (11)和CPLD (12)采用ALTERA 7160STC100芯片，CPLD (11)將3路動調撓性陀螺儀串行數(shù)據(jù)轉換為并行數(shù)據(jù)，CPLD (12)將3路石英加速度計串行數(shù)據(jù)轉換為并行數(shù)據(jù)，所述CPLD (11)和所述CPLD (12)中均使用7474對6M時鐘進行分頻得到1.5M時鐘作為所述MAX195的轉換時鐘信號AD_CLK，將所述高速MCU的P2腳與所述AD_CLK相“或”得到的信號作為所述MAX195的轉換開始信號所述CPLD (11)和所述CPLD (12)中均使用6片8位輸出移位寄存器74595，每路使用2片，將串行數(shù)據(jù)轉換為16位的并行數(shù)據(jù)，所述6片MAX195的轉換完成信號均取反相再相“或”得到的信號輸入所述高速MCU (14)外部中斷O引腳，該信號通知所述MCU (14)讀取所述CPLD (11)和(12)輸出的16位并行數(shù)據(jù)，同時所述CPLD (11)通過所述高速MCU (14)讀取所述MU故障診斷監(jiān)測信號(13)，所述移位寄存器74595通過所述高速MCU (14)根據(jù)地址譯碼進行片選讀取各路并行轉換結果O
5.根據(jù)權利要求4所述的一種慣性傳感器IMU信號模數(shù)轉換模塊，其特征在于:所述高速MCU (14)選用WINB0ND77E58，外部配置看門狗芯片MAX813L，選用引腳5和引腳7配置為I2C總線對所述溫度傳感器芯片(15)進行控制，并讀取溫度值，所述200Hz時鐘信號輸入外部中斷I引腳，通過中斷服務程序完成對所述看門狗芯片MAX813L的循環(huán)寫操作和控制所述MAX195的采樣頻率。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種慣性傳感器IMU信號模數(shù)轉換模塊，其特征在于:所述光耦隔離與電平轉換裝置(16)和(17)選用2片HCPL2630作為光耦隔離器件，I片用于隔離所述200Hz時鐘，I片用于隔離所述高速MCU (14)串口發(fā)送報文信號，選用MC3486實現(xiàn)導航計算機系統(tǒng)的200Hz時鐘RS422到TTL電平轉換，選用MC3487實現(xiàn)所述高速MCU(14)串口數(shù)據(jù)的TTL到RS422電平·轉換。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種慣性傳感器IMU信號模數(shù)轉換模塊，其實現(xiàn)了200Hz的高速同步采樣，并且在采樣前對陀螺儀和加速度計信號進行了兩級運放預處理，將信號放大、濾波及整流后使用，采樣后進行實時數(shù)據(jù)建模及補償提高其采樣精度。同時實時報告IMU故障及工作溫度，提高捷聯(lián)系統(tǒng)和組合導航系統(tǒng)的可靠性及容錯性。
文檔編號H03M1/12GK103248364SQ20131012596
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月12日 優(yōu)先權日2013年4月12日
發(fā)明者張濤, 徐曉蘇, 劉錫祥, 王立輝, 李瑤, 李佩娟 申請人:東南大學