CN101021418B - 角速率及角度陀螺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种角速率及角度陀螺,包括用于给各个单元提供5.5伏或3.3伏电压的电源稳压电路,A/D转换单元,还包括微机械陀螺单元,所述微机械陀螺单元感应的角速率模拟信号经所述A/D转换单元转换成数字信号输出,该数字信号输入用于测量的角速率以及解算角度的CPU计算单元。本发明利用微机电系统技术测量角速率,具有体积小,成本低,响应快,功耗低等优点。本发明可实现一轴、二轴或三轴角速率的测量,能够在测量一轴、二轴或三轴角速率的同时,解算一轴、二轴或三轴角度,简化了后级系统的处理强度,进而增强了整个系统的响应时间。

Description

角速率及角度陀螺
技术领域
本发明涉及一种陀螺,特别是一种测量三轴角速率及角度的陀螺,适用于平台,运动控制系统,船舶、车辆的控制,惯性制导与导航,姿态航向参考系统的角速率及角度测量,属于传感器领域。
背景技术
目前,测量角速率或测量角度的传感器都是分开的,只能完成一种测量,而且传统的测量角速率或角度的传感器,一般都是使用机械陀螺或光纤陀螺等传感器,这种传感器体积大,测量速度慢,功耗高,价格昂贵,维护麻烦。
图1为给传统陀螺中各芯片供电的电源稳压电路图。如图1所示,U1采用的是开关电源芯片LT1933,U2采用稳压芯片MAX8880,U3采用三端稳压芯片STX1117。输入电压Vin为8~36V,经稳压后输出5V、A+5V及3.3V,5V电压供应微机电陀螺及A/D转换的模拟部分,3.3V电压供应A/D转换的模拟部分、单片机及通讯接口电路。
随着市场应用范围的不断扩大,急需一种能同时测量角速率和角度的传感器,并且需要传感器能够达到低功耗、反应快、成本低、分辨率高的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足,提供一种利用微机电系统技术来测量角速率及角度的陀螺,使得该陀螺具有体积小、成本低、响应快、功耗低等优点。
为此,本发明提供了一种角速率及角度陀螺,包括用于给各个单元提供5.5伏或3.3伏电压的电源稳压电路,A/D转换单元,还包括微机械陀螺单元,其中,所述微机械陀螺单元感应的角速率模拟信号经所述A/D转换单元转换成数字信号输出,该数字信号输入用于测量的角速率以及解算角度的CPU计算单元。
上述技术方案中,所述CPU计算单元的输出信号经信号转换单元以RS422接口方式的数字信号输出。
本发明利用微机电系统技术测量角速率,与利用机械陀螺,光纤陀螺等传感器作为传感元件的角速率陀螺相比;具有体积小,成本低,响应快,功耗低等优点。本发明可实现一轴、二轴或三轴角速率的测量,能够在测量一轴、二轴或三轴角速率的同时,解算一轴、二轴或三轴角度,保证20s内的角度误差最大值不大于3°,简化了后级系统的处理强度,进而增强了整个系统的响应时间。采用32位高性能微控制处理器构架嵌入式系统,在提高产品数据处理能力的基础上,还增强了整个产品的实时性、可靠性。为了提高产品的抗干扰能力,该产品采取422总线的数字接口来输出数据,具有可靠性高,传输距离远等优点
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明示意图;
图2为本发明第一优选实施例的逻辑框图;
图3为本发明第二实施例的结构框图;
图4为本发明的一种微机械陀螺电路图;
图5为本发明一种CPU计算单元的电路图;
图6为本发明一种A/D转换单元的电路图;
图7为本发明一种信号转换单元的电路图。
附图标记说明:
L1-电感;      L2-电感;       C1至C21-电容;
R1至R8-电阻;  D1至D2-二极管; Y1至Y2-晶振;
U1-LT1933芯片;U2-MAX8880芯片;U3-STX1117芯片;
U4-ADXRS150芯片;U5-ARM7TDMI-S微控制器;
U6-AD7739芯片;  U7-MAX3488芯片。
具体实施方式
图2为本发明第一优选实施例的逻辑框图。如图2所示,本发明为角速率及角度陀螺,包括用于给各个单元提供5.5伏或3.3伏电压的电源稳压电路S4,A/D转换单元S2,还包括微机械陀螺单元S1,微机械陀螺单元S1为一种电子式的陀螺,体积小,计算速度快,微机械陀螺单元S1感应的角速率模拟信号经A/D转换单元S2转换成数字信号输出,该数字信号输入用于将测量的角速率解算为角度的CPU计算单元S3。
图3为本发明第二实施例的结构框图。本实施例与第一实施例的区别在于,CPU计算单元S4的输出信号经信号转换单元S5后以RS422接口方式的标准角速率及角度数字信号输出。
图4为本发明的一种微机械陀螺电路图。本实施例中,如果微机械陀螺单元S1采用位于一个轴上的ADXRS150芯片,即可以测量该轴的角速率;如果微机械陀螺单元S1为分别位于两个轴上的ADXRS150芯片,即可以测量该两轴的角速率;如果微机械陀螺单元S1为分别位于三个轴上的ADXRS150芯片,即可以测量该三轴的角速率。图4为一个轴上的ADXRS150的电路图。如图4所示,ADXRS150芯片U4的RATEOUT脚与SUMJ脚通过电容C10相连,ADXRS150芯片U4的CMID脚与AGND脚通过电容C11相连,所述AGND脚接地,ADXRS150芯片U4的PDD脚与PGND脚通过电容C14相连,PGND接地,PDD脚接电源稳压电路S4的5伏电压,ADXRS150芯片U4的CP4脚通过电容C13与CP3脚相连,ADXRS150芯片U4的CP1脚通过电容C12与CP2脚相连,ADXRS150芯片U4的AVCC脚接电源稳压电路S4的5伏电压。ADXRS150芯片感应的角速率分量的变化在-150°每秒至+150°每秒之间,使得ADXRS150芯片U4的AVCC脚输入为+5V时,RATEOUT脚与2.5V脚之间输出的模拟量的线性变化在-2.4V~+2.4V之间。
图5为本发明一种CPU计算单元的电路图。本发明中CPU计算单元S3采用32位微控制处理器,为philips公司的LPC2100系列微控制处理器ARM7TDMI-S芯片U5,ARM7TDMI-S芯片U5具有高性能和低功耗的特性,这样使用一个小的、廉价的处理器就可实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应。ARM7TDMI-S芯片U5将所测得的角速率值以时间做微分处理,以如下公式进行计算:
俯仰角θ=∑ωy(dt)+e(temp)
偏航角φ=∑ωz(dt)+e(temp)
倾斜角γ=∑ωx(dt)+e(temp)
其中,俯仰角速率为ωy,偏航角速率为ωz,倾斜角速率为ωx,t为时间,e(temp)为即时温度补偿值。
通过以上公式的计算,可得出角度值,从而实现角速率与角度一起测量的设备。
图6为本发明一种A/D转换单元的电路图。如图6所示,本发明A/D转换单元S2可采用AD公司的AD7739芯片,AD7739芯片U6的2、3脚通过晶振Y2相连,晶振Y2的两个管脚又分别通过电容C19和电容C20后接地,6脚接所述电源稳压电路的A+5伏电压后通过电容C17接地,18脚和19脚相连后接地,5脚和23脚接电源稳压电路S4的+5伏电压后通过电容C18接地。AD7739是一款高精度∑-ΔADC,具有24-bit无失码,转换速率可编程,最大可达15.4kHz,使用温度可达到-40℃~+105℃.
图7为本发明一种信号转换单元的电路图。如图7所示,本实施例采用的信号转换单元S5包括一MAX3488芯片U7和一RS422接口端子JP2,MAX3488芯片U7的端脚1接电源稳压电路S4的3.3伏电压输出端,同时又通过一电容C21后接地;MAX3488芯片U7的2脚接ARM7TDMI-S微控制器芯片U5的21脚,MAX3488芯片U7的3脚接ARM7TDMI-S微控制器芯片U5的19脚;MAX3488芯片U7的4脚接地;MAX3488芯片U7的5脚接RS422接口端子JP2的1脚,同时经电阻(R7)后接RS422接口端子JP2的2脚,MAX3488芯片U7的6脚接RS422接口端子JP2的2脚,MAX3488芯片U7的7脚接RS422接口端子JP2的3脚,MAX3488芯片U7的8脚接RS422接口端子JP2的4脚,同时MAX3488芯片U7的7、8脚间又通过电阻R8相连。经过CPU计算单元S3处理后得到的倾角信号从MAX3488芯片U7的2、3脚输入,并通过电平转换芯片MAX3488芯片U7转换为RS422接口的数字信号输出,当然也可以以其它形式的接口信号输出,克服了传统技术中采用模拟输出的缺陷。
最后所应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种角速率及角度陀螺,包括用于给各个单元提供5V、A+5V或3.3V电压的电源稳压电路,A/D转换单元,还包括微机械陀螺单元,其特征在于,所述微机械陀螺单元感应的角速率模拟信号经所述A/D转换单元转换成数字信号输出,该数字信号输入用于将测量的角速率解算为角度的CPU计算单元,所述CPU计算单元为32位微控制器的ARM7TDMI-S芯片,ARM7TDMI-S芯片将所测得的角速率值以时间做微分处理,以如下公式进行计算:
俯仰角θ=∑ωy(dt)+e(temp)
偏航角ψ=∑ωz(dt)+e(temp)
倾斜角γ=∑ωx(dt)+e(temp)
其中,俯仰角速率为ωy,偏航角速率为ωz,倾斜角速率为ωx,t为时间,e(temp)为即时温度补偿值。
2.根据权利要求1所述的角速率及角度陀螺,其特征在于,所述CPU计算单元的输出信号经信号转换单元以RS422接口方式的数字信号输出。
3.根据权利要求1所述的角速率及角度陀螺,其特征在于,所述微机械陀螺单元为位于一个轴上的ADXRS150芯片。
4.根据权利要求1所述的角速率及角度陀螺,其特征在于,所述微机械陀螺单元为分别位于两个轴上的ADXRS150芯片。
5.根据权利要求1所述的角速率及角度陀螺,其特征在于,所述微机械陀螺单元为分别位于三个轴上的ADXRS150芯片。
6.根据权利要求3-5任一所述的角速率及角度陀螺,其特征在于,所述ADXRS150芯片的RATEOUT脚与SUMJ脚通过电容C10相连,所述ADXRS150芯片的CMID脚与AGND脚通过电容C11相连,所述AGND脚接地,所述ADXRS150芯片的PDD脚与PGND脚通过电容C14相连,所述PGND接地,所述PDD脚接所述电源稳压电路的5伏电压,所述ADXRS150芯片的CP4脚通过电容C13与CP3脚相连,所述ADXRS150芯片的CP1脚通过电容C12与CP2脚相连,所述ADXRS150芯片的AVCC脚接所述电源稳压电路5伏电压。
7.根据权利要求1所述的角速率及角度陀螺,其特征在于,所述ARM7TDMI-S芯片的6脚、25脚、42脚、50脚和59脚接地,7脚、23脚、43脚和51脚接所述电源稳压电路的3.3伏电压,所述ARM7TDMI-S芯片的17脚通过电阻R4与23脚相连,24脚经电阻R5后接地,43脚与41脚通过电阻R6相连,61脚与62脚之间通过测时钟的晶振Y1相连,晶振Y1的两个管脚中的一个管脚通过电容C15后接地,另一个管脚通过电容C16后接地。
8.根据权利要求2所述的角速率及角度陀螺,其特征在于,所述信号转换单元包括一MAX3488芯片和一RS422接口端子,所述MAX3488芯片的端脚1接所述电源稳压电路的3.3伏电压输出端,同时又通过一电容C21后接地;所述MAX3488芯片的2脚接所述ARM7TDMI-S微控制器芯片的21脚,所述MAX3488芯片的3脚接所述ARM7TDMI-S微控制器芯片的19脚;所述MAX3488芯片的4脚接地;所述MAX3488芯片的5脚接所述RS422接口端子的1脚,同时经电阻R7后接所述RS422接口端子的2脚,所述MAX3488芯片的6脚接所述RS422接口端子的2脚,所述MAX3488芯片的7脚接所述RS422接口端子的3脚,所述MAX3488芯片的8脚接所述RS422接口端子的4脚,同时所述MAX3488芯片的7、8脚间又通过电阻R8相连。
9.根据权利要求1或7所述的角速率及角度陀螺,其特征在于,所述A/D转换单元为AD7739芯片;所述AD7739芯片的2、3脚通过晶振Y2相连,晶振Y2的两个管脚中的一个管脚通过电容C19后接地,另一个管脚通过电容C20后接地,6脚接所述电源稳压电路的A+5伏电压后通过电容C17接地,18脚和19脚相连后接地,5脚和23脚接所述电源稳压电路的+5伏电压后通过电容C18接地。
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