CN102829800B - 手持式微机械陀螺测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种手持式微机械陀螺测试仪，所述的由显示面板、调节旋钮、处理器、ADC芯片、供电模块、串口、总线接口构成的主机；由芯片插座、驱动检测电路、管脚配置电路、总线接口构成的测试电路板和由电力线、驱动检测电路控制线、管脚配置电路控制线、信号线构成的总线电缆组成。通过总线电缆将驱动检测模块与主机相连接。通过24V电源或自备电池组进行供电，进行自主扫频测试、驱动直流偏置电压扫描测试，特性曲线绘制，通过串口将数据传送至PC机进行后期分析。手持式微机械陀螺测试仪具有小批量并行测试功能，适合科研、小批量生产中微机械陀螺芯片的性能检测，或其它需要灵活、便携地测试微机械陀螺芯片的场合。

Description

手持式微机械陀螺测试仪

技术领域

本发明属于微机械陀螺测试装置技术领域，具体涉及一种手持式微机械陀螺的扫频测试仪器。

背景技术

微机械陀螺的生产主要采用微机械加工和真空封装，工艺偏差等因素导致微机械陀螺存在多种误差源，如：残余应力、刚度耦合、阻尼耦合、驱动和检测轴不对称的结构误差等。因此，在微机械陀螺的研制过程中就必须进行性能参数的测试与筛选。微机械陀螺的性能测试通常包括扫频测试、标度因数测试、零偏测试等项目。其中，扫频测试是微机械陀螺的一个重要测试项目，主要测试其谐振峰值、谐振频率、品质因数等性能表征参数。

目前国际上已经研发出了一些有价值的微机械陀螺仪测试设备。如Veeco公司的MEMS3500，但此类固定安装的专用设备，价格昂贵，不能手持便携，不适用于工艺试验或小批量研制等场合对仪器的便携性有一定要求的场景。201020181149.1号“一种双轴转台的MEMS陀螺测试系统”实用新型公布了一种MEMS陀螺测试系统，该系统将带高低温箱的双轴转台和MEMS陀螺传感器测试单元结合起来，组成一种全自动的MEMS陀螺综合测试系统。该方案存在测试平台搭建复杂、需要借助PC机进行数据处理等不足。200720077699.7号“基于FPGA的光纤陀螺数据采集模型”实用新型公布了一种基于FPGA的光纤陀螺数据采集模型，该模型利用可编程逻辑器件芯片FPGA进行光纤陀螺数据信息的采集，通过串口发送至上位机并同时可以在LCD上显示。但是该实用新型所公布的方案针对于光纤陀螺，由于光纤陀螺和微机械陀螺的结构原理有巨大的差异，因此并不适用于微机械陀螺。清华大学王嫘等2009年报道了一种“基于虚拟仪器的微机电系统动态特性测试仪”，是一种基于虚拟仪器的微机电系统动态特性测试仪，主要用于微机电系统的频谱测试和静态特性测试；该仪器采用PCI总线24位高性能数据采集卡，使用虚拟仪器技术进行设计和开发，采用扫频方法给待测系统输入一系列由低频到高频的正弦激励信号，进而分析出该系统响应和激励之间的关系；其频带为0.01Hz～10kHz，并能在关键频率附近增加测试的频率点以提高精度；试验表明，该仪器的最大幅值误差小于0.2dB，最大相位误差小于0.7°，同时具有较高的可靠性和扩展性；该仪器自动化程度高，并具有良好的人机交互特性，可实时显示测试数据并绘制曲线，并在测试完成后进行数据分析处理，最后自动生成报表。但上述方案采用了“硬件采集卡+数据传输模块+PC机”的虚拟仪器架构，虽然测试方式灵活多变、功能强，但测试系统硬件成本高、搭建复杂，且不能手持便携，不适用于工艺试验或小批量研制等场合对仪器的便携性有一定要求的场景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种手持式微机械陀螺测试仪，便携易用，无需借助其它测试设备即可独立完成微机械陀螺的扫频测试、驱动直流偏置电压扫描测试，求取谐振频率和品质因数，并在自带的显示面板上即时绘制出扫频测试结果的特征数据和特性曲线。

为解决上述技术问题，本发明手持式微机械陀螺测试仪采用的技术方案是：手持式微机械陀螺测试仪基于嵌入式系统架构， 由主机、测试电路板和总线电缆组成。主机包括显示面板、调节旋钮、处理器、供电单元、ADC芯片、串口、总线接口部件；测试电路板主要包括芯片插座、驱动检测电路、管脚配置电路、总线接口部件；总线电缆包括电力线缆、驱动检测电路驱动信号线缆、驱动检测电路检测信号线缆、管脚配置电路控制信号线缆。

本发明的手持式微机械陀螺测试仪嵌在主机机身表面的显示面板是采用北京迪文公司生产的16位真彩显示屏来实现，处理器采用XILINX公司生产的spartan6系列芯片，供电单元采用24V直流电源以及自带的可充电电池组两种供电方式，ADC芯片采用24位高精度ADC芯片，型号为AD7734。通过供电单元对整个测试仪进行供电， ADC芯片与处理器相连接，处理器从ADC芯片中读出测试数据。显示面板与处理器相连接，实时绘制测试过程中的特性曲线。

为了减少在测试过程中需要接入多种输出电压等级电源的麻烦，同时让在没有外界电源的情况也能正常使用本发明的手持式微机械陀螺测试仪，本发明的手持式微机械陀螺测试仪具有统一的供电单元。

为了降低测试复杂程度，方便操作，实时了解测试情况，本发明的手持式微机械陀螺测试仪分为三个部分：主机、总线电缆、测试电路板。主机配置有串口接口是为了可以将测试数据上传到PC机，以便测试数据的归档、处理与查阅。由于微机械陀螺芯片封装形式的多样性，不同型号微机械陀螺芯片的各管脚不可能有顺序完全一致的电气功能定义。为了实现手持式微机械陀螺测试仪测试电路板的通用性，本发明在测试电路板上设计有管脚配置电路，采用多路选择开关实现。为了能够实现对微机械陀螺的驱动和检测，本发明的手持式微机械陀螺测试仪的测试电路板具有驱动检测电路，驱动检测电路有驱动电路和检测电路两个功能模块。为了减少扫频测试时间、提高扫频测试效率，本发明的手持式微机械陀螺测试仪采用了一种减少扫频测试时间、提高扫频测试效率的扫频测试方法。

本发明的手持式微机械陀螺测试仪能够独立自主地快速完成待测微机械陀螺的扫频测试、驱动直流偏置电压扫描测试；求取待测微机械陀螺的谐振频率与品质因数；在自带的显示面板上绘制待测微机械陀螺芯片的特征数据——谐振频率、品质因数，待测微机械陀螺芯片的特性曲线——扫频测试的幅频特性曲线、驱动直流偏置电压扫描测试的驱动直流偏置电压-振幅的关系曲线。

附图说明

图1为本发明系统组成框图；

图2为本发明供电单元的电路原理框图；

图3为本发明驱动检测电路的电路原理框图；

图4为本发明系统工作流程图；

图5为本发明管脚配置工作流程图；

图6 为本发明快速求取谐振频率方法工作流程图。

实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。

如图1所示，手持式微机械陀螺测试仪基于嵌入式系统架构，主机包括显示面板7、处理器8、供电单元11、ADC芯片10、串口9、总线接口5、调节旋钮12这些部件；测试电路板包括芯片插座2、驱动检测电路4、管脚配置电路3、总线接口5这些部件；总线电缆6。主机主要负责两部分工作，第一是通过总线电缆向测试电路板提供电源以及被测微机械托陀螺的驱动信号；第二是将测试电路板输出的被测微机械托陀螺的敏感信号进行采集，然后将数据进行处理，在显示面板7上绘制特性曲线，并求出被测微机械陀螺的谐振频率以及品质因数。测试电路板主要负责被测微机械陀螺的驱动和检测，利用管脚配置电路3进行管脚配置，并将检测信号发出至主机。

如图2所示，为了减少在微机械陀螺扫频测试搭建时需要外接多种电压等级电源的麻烦，手持式微机械陀螺测试仪的主机1内包含了一个主要采用DC-DC芯片实现的统一供电单元，为主机和测试电路板中不同的电路模块或芯片提供多个电压等级的直流电压供电，电压等级有2.5V、3.3V、5V和12V。统一供电单元可以选择外部直流电压源供电和/或内部电池组供电作为统一供电单元的输入电源，输入电压等级可选择24V。外部直流电压源供电通过外部电源接口5连接。内部电池组供电确保在不方便从外部取电时仍可使用手持式微机械陀螺测试仪，增加了手持式微机械陀螺测试仪的使用灵活性。

如图3所示，驱动检测电路4的电路原理是首先通过管脚配置电路3定义好被测微陀螺的管脚之后，再对被测陀螺施加正反相两路驱动电压。其中交流驱动电压由处理器8的DDS(Direct Digital Synthesizer，直接数字合成器)功能IP核来产生；直流偏置电压通过手动调节旋钮来设置，直流偏置电压设计成可调是为了进行直流扫描测试，找出被测陀螺最佳线性输出时的最佳取值范围。反相功能是通过反相器13来实现。驱动敏感电容变化信号是经高频信号20载波调制和前置差分放大14后得到输出信号，再经过带通滤波处理15、开关解调16、低通滤波18还原出敏感信号。本发明的检测电路没有直接对还原出的敏感信号进行AD采集，而是通过硬件均方根值转换器17求出它的均方根值，再利用主机部分的ADC芯片10进行ADC转换，处理器8实时读取转换结果。

如图4所示，本发明的手持式微机械陀螺测试仪工作流程为：执行上电100操作之后，系统开始进行初始化101操作，其中初始化操作主要初始化上次使用时管脚配置参数、陀螺驱动设置参数。初始化之后若要进行管脚再次配置则执行设定管脚配置102操作，然后进行功能选择103，若选择了扫频测试功能104，本发明的手持式微机械陀螺测试仪将自主测试106，若选择了直流偏置电压扫描测试105，则本发明的手持式微机械陀螺测试仪将根据手动调节电压大小107来进行测试，测试过程中将实时进行数据处理、曲线绘制108。测试完成后，本发明的手持式微机械陀螺测试仪将在显示面板7上显示所测试的结果信息。

为了增加该手持式微机械陀螺测试仪的通用性，在测试电路板中设计有一个管脚配置电路3，可以根据待测微机械陀螺的管脚定义来设定对应插座与驱动检测电路接口顺序，该管脚配置电路3采用多路选择开关实现。管脚配置的工作流程如图5所示，管脚配置的基本原理是确定测试电路板上驱动检测电路4各端口与芯片插座2各管脚之间正确的电气连接关系。需要管脚配置时，通过主机功能选择按钮操作；配置成功后，处理器将配置参数通过总线接口5发送到管脚配置电路3，管脚配置电路3按照设定配置相应管脚。

在已有的微机械陀螺扫频测试方法中，如果要得到较为精确的谐振频率值和品质因数值，需要频率测试点足够多，因此测试时间长、数据量大，测试效率较低。本发明手持式微机械陀螺测试仪采用的一种减少扫频测试时间、提高扫频测试效率的扫频测试新方法，该方法基于粗略扫频和精确扫频两次扫频的思想；第一次扫频为粗略扫频，扫频步长在5~10Hz之间，根据待测微机械陀螺粗略扫频测试数据，采用最小二乘法拟合方法拟合出待测微机械陀螺的频率—输出电压曲线，利用该曲线求得待测微机械陀螺的谐振频率的大致区间，以缩小精确扫频的区间；第二次扫频为精确扫频，扫频步长为0.5Hz，以准确地确定出谐振频率点的频率值。本发明手持式微机械陀螺测试仪采用的扫频测试新方法流程图如图6所示，具体实现方式如下：

1)    首先执行步骤301。先进行第一次扫频，即粗略扫频。根据谐振频率设计值，在设定的频带BW1内进行粗略扫频，找出谐振频率点的大致频带BW2 (BW2<BW1)302；在频带BW2中选取N个扫频测试数据，进行最小二乘法拟合303。粗略扫频的扫频步长及N值的设定，可根据待测微机械陀螺的设计参数而定。本发明中，以某型待测微机械陀螺为例，扫频步长在5Hz~10Hz之间可选，N=10；

2)    执行得到拟合函数步骤304。即为求解出频带BW2中频率f与输出电压信号U的拟合函数；

3)    然后执行步骤305。求解出频带BW2中拟合函数的最大值（即估计的谐振频率f₀ ^’）和对应的谐振频带BW3 (BW3<BW2)；

再进行第二次扫频步骤306，即精确扫频，精确扫频的频带为f₀                                                BW3。在进行步骤307，精确扫频准确地测出谐振频率值f₀，并可计算出品质因数。

Claims (5)

1.一种手持式微机械陀螺测试仪，基于嵌入式系统架构，包括主机，测试电路板，总线电缆，其特征在于：主机包括显示面板、调节旋钮、处理器、供电单元、ADC芯片、串口、总线接口部件，测试电路板包括芯片插座、驱动检测电路、管脚配置电路、总线接口部件，总线电缆包括电力线缆、驱动检测电路驱动信号线缆、驱动检测电路检测信号线缆、管脚配置电路控制信号线缆，具体连接方式如下：

a).主机中处理器是控制核心，其中显示面板、ADC芯片分别通过不同的串行数据线与处理器连接，总线接口部件与ADC芯片和处理器通过不同信号电缆相连接，供电单元分别用不同的电力线与显示面板、处理器、ADC芯片、串口、总线接口部件连接，调节旋钮串联在供电单元与总线接口中的驱动检测电路驱动信号线缆之间；

b).处理器与测试电路板之间利用总线接口部件通过总线电缆实现连接；

c).测试电路板中，从总线接口部件分出的管脚配置电路控制信号线缆和电力线缆连接至管脚配置电路，分出的驱动检测电路驱动信号线缆、检测信号线缆连接至驱动检测电路，管脚配置电路输出信号与驱动检测电路输出的驱动端连接至芯片插座输入端，芯片插座输出端连接至驱动检测电路检测端；

所述的手持式微机械陀螺测试仪采用减少扫频测试时间、提高扫频测试效率的扫频测试方式；基于粗略扫频和精确扫频两次扫频的思想；第一次扫频为粗略扫频，扫频步长较大，根据待测微机械陀螺粗略扫频测试数据，采用最小二乘法拟合方法拟合出待测微机械陀螺的频率—输出电压曲线，利用该曲线求得待测微机械陀螺的谐振频率的大致区间，以缩小精确扫频的区间；第二次扫频为精确扫频，扫频步长较小，以准确地确定出谐振频率点的频率值。

2.根据权利要求1所述的手持式微机械陀螺测试仪，其特征在于：所述的显示面板是嵌在手持式微机械陀螺测试仪主机机身表面，采用真彩显示屏，是用户操作的控制界面和扫频测试结果的输出界面。

3.根据权利要求1所述的手持式微机械陀螺测试仪，其特征在于：所述的驱动检测电路驱动信号，包括了直流驱动信号与交流驱动信号，直流驱动信号是通过供电单元与调节旋钮共同作用产生的，交流驱动信号是通过处理器的DDS功能来产生的。

4.根据权利要求1所述的手持式微机械陀螺测试仪，其特征在于：管脚配置电路采用多路选择模拟开关实现。

5.根据权利要求1所述的手持式微机械陀螺测试仪，其特征在于：所述的供电单元有外部直流电压源供电和内部电池组供电两种供电方式。