CN103148846B - 基于dds的任意波形的微机械陀螺驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于DDS的任意波形的微机械陀螺驱动装置，该微陀螺驱动装置包括：上位机、USB串口通信电路、主/副CPU、DDS时钟电路、DA转换器及多个功率驱动级电路。用户在上位机上绘制驱动波形，然后将波形采样点数据通过USB转串口发送给主CPU，主CPU通过数据总线转发给副CPU进行输出或存储。两个CPU的EEPROM中均保存有常用波形，可以根据用户需要进行查看、输出或修改。主CPU控制DDS频率合成器输出指定频率的方波，给副CPU提供时钟信号，经副CPU片内分频后驱动多通道DAC输出给定波形的驱动信号，从而实现微陀螺的驱动，该微陀螺驱动装置具有驱动结构灵活和驱动调整方便的特点。

Description

基于DDS的任意波形的微机械陀螺驱动装置

技术领域

本发明属于微机械陀螺领域，具体涉及的是一种基于DDS的任意波形的微机械陀螺驱动装置。

背景技术

陀螺是一种测量物体相对于惯性空间角度或角速率的传感装置。早在1852年法国科学家傅科就创造了“陀螺”这个词汇，并制作了一个巨大的单摆式陀螺，成功地演示了地球的自转现象。由于陀螺在任何环境下都具有自主导航的能力，自问世以来，就在航空、航天、航海以及军事等领域有着广泛的应用，一直是各国重点发展的技术。随着MEMS技术的发展，微机械陀螺成为国内外研究的热点。目前，硅微机械陀螺主要以振动式陀螺为主，该种类型的陀螺活动质量块较轻，通常为毫克量级，同时受结构尺寸与运动方式的限制，结构振动幅度较小，振动速度较低，结构产生的哥氏力相对较小，限制了振动式MEMS陀螺灵敏度的提高。振动式微机械陀螺主要用于中低精度场合。近年来，为有效提高MEMS陀螺敏感结构的运动速度及哥氏力，研究人员提出转子式微陀螺，利用电磁力(或静电力)使转子悬浮于平衡位置，通过静电力或电磁力使转子旋转，获得恒定角动量，在哥氏力的作用下转子偏转产生陀螺效应。由于转子悬浮并高速旋转，不需要机械支悬和模态匹配，因而相比振动式微机械陀螺仪可获得更高的精度。转动式与振动式MEMS陀螺相比，运动线速度提高约2-3个数量级，同时具有较大的质量块，理论上精度可提高2个数量级以上。受目前微加工技术的制约，悬浮转子微陀螺的转子多数为扁平转子。转子的高速旋转需要较大的驱动力，静电悬浮式微陀螺驱动力矩通常为皮牛米的量级，驱动力矩相对较小，无法实现较大质量块的转子的高速旋转。电磁驱动的微陀螺的驱动力矩高达微牛米的量级，成为当前研究的热点技术之一。当前的电磁驱动通常以脉冲波形为主，转子的驱动方式单一，采用不连续的方波驱动会造成转子的旋转不稳定，因此需要对电磁驱动的转子式微陀螺的驱动技术进行研究，本发明提出了一种基于DDS的任意波形的微陀螺驱动装置，可以对陀螺驱动波形进行优化组合，具有较强的灵活性。

发明内容

本发明的目的是克服现有的电磁驱动式微机械陀螺采用采用单一脉冲或正弦波驱动造成转子旋转不稳定，驱动功率较大的问题，提出了一种基于DDS的任意波形的微机械陀螺驱动装置，通过控制输出波形的形状和相位可实现微机械陀螺的高速旋转，从而有助于提高微机械陀螺的性能。

本发明是通过以下技术方案实现的，

一种基于DDS的任意波形的微机械陀螺驱动装置，包括上位机、USB串口通信电路、主CPU、副CPU、DDS频率合成器、DA转换器和多个功率级驱动电路，主CPU与USB串口通信电路连接，USB串口通信电路通过USB总线与上位机连接，副CPU通过数据总线主CPU连接，DDS频率合成器分别与主CPU、副CPU连接，副CPU与DA转换器连接，DA转换器分别与多个功率级驱动电路连接，主CPU一方面通过USB总线与上位机进行通讯，获得上位机用户的操作指令和波形表数据，同时反馈驱动装置的运行状态；另一方面控制DDS频率合成器，由DDS频率合成器给副CPU提供时钟；主CPU将接收到的波形表数据保存在自己的或副CPU的EEPROM和FLASH中，驱动装置运转时，主CPU通过数据总线将波形数据加载到副CPU的芯片内XRAM中，主CPU并控制副CPU的运行状态，由副CPU控制DAC输出指定的波形，经副CPU芯片内分频后驱动DA转换器输出给定波形的驱动信号驱动多个功率驱动级电路，实现微陀螺定子线圈的驱动，同时输出的驱动信号的相位由副CPU的程序进行控制，从而实现驱动输出波形频率的精确控制。

本发明还具有如下特征：

1、本驱动装置还包括显示单元，所述的显示单元与主CPU连接。

2、如上所述的主副CPU用的STC12C5A60S2单片机。

3、如上所述的DDS频率合成器采用是AD9850芯片。

4、如上所述的主副CPU分别带有Flash和EEPROM存储器，能够分别存储波形表数据，每组波形表能够存储850个固定波形数据和16个用户自定义波形数据，其中主波形表位于副CPU上，存储常用的波形，能够根据需要随时进行输出；备用波形表位于主CPU上，能够在用户请求时通过两个CPU之间的数据总线加载到副CPU的片内XRAM中，副CPU的EEPROM中保存有常见的波形，能够直接通过驱动功率级电路进行输出控制微陀螺的转动。

5、如上本装置能够输出8路任意波形信号，各路信号之间的相位差能够根据需要任意设定，最小分辨率为±6°，或者在不同通道输出不同波形的信号，并对其相位进行精确控制。

本发明具有以下优点：由于系统中存在两个嵌入式CPU，分别带有Flash和EEPROM存储器，故可以分别存储波形表数据。每组波形表可以存储多达850个固定波形数据和16个用户自定义波形数据。其中主波形表位于副CPU上，存储常用波形，可以根据需要随时进行输出。备用波形表位于主CPU上，可以在用户请求时通过两个CPU之间的数据总线加载到副CPU的片内SRAM中，再通过DAC进行输出。由于嵌入式系统灵活易用的特性，本系统能够输出8路任意波形信号，各路信号之间的相位差可以根据需要任意设定，最小分辨率为±6°，甚至还可以在不同通道输出不同波形的信号，并对其相位进行精确控制。该驱动装置具有驱动结构灵活和驱动调整方便的优点。

附图说明

图1是本发明的总体结构原理图；

图2是主CPU控制DDS给副CPU提供时钟源的电路原理图；

图3是主CPU与副CPU之间通过串口通信的接线原理图；

图4是副CPU控制DA进行多通道输出的原理图；

图5是DAC的电路原理图；

图6是每路的驱动功率放大级电路的原理图；

图7是串口通信电路的原理图；

图8是主CPU的程序流程图；

图9是副CPU的程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做详细的说明：

实施例1

如图1所示，本实施例包括上位机1、USB串口通信电路2、主CPU3、副CPU4、DDS频率合成器5、DA转换器6和多个功率级驱动电路7，主CPU3与USB串口通信电路2连接，USB串口通信电路2通过USB总线与上位机1连接，副CPU4通过数据总线主CPU3连接，DDS频率合成器5分别与主CPU3、副CPU4连接，副CPU4与DA转换器6连接，DA转换器6分别与多个功率级驱动电路7连接。USB串口通信电路2主要负责驱动电路和上位机软件的通信。主CPU3主要负责整个系统的控制和协调工作，控制DDS频率合成器5，由DDS频率合成器5给副CPU4提供精确的时钟，经副CPU4芯片内分频后驱动多通道DAC输出给定波形的驱动信号，实现驱动输出波形频率的精确控制；主CPU3并控制副CPU4的运行状态，由副CPU4控制DA转换器6输出指定的波形。功率驱动级电路7主要采用模拟功率放大器实现对微陀螺驱动波形进行功率放大，实现微陀螺定子线圈的驱动。显示电路主要采用液晶屏实现对驱动频率、当前的波形和输出电压幅度等信息。本驱动装置，它的基本功能是能够输出常用波形，频率在可调范围(0-35Mhz)内可以任意设定。这些常用波形存储在主副CPU的片内EEPROM内，当用户有需求需要输出时，副CPU可以调用存储在自己EEPROM或者主CPU的EEPROM里的波形数据进行输出，再通过DA转换器和功率级驱动电路输出具有足够推力的驱动信号，驱动微陀螺转动。它的另一重要功能是可以对输出信号频率进行精确控制。副CPU运行的时钟源采用DDS频率合成器，主CPU控制DDS频率合成器输出指定频率的方波，给副CPU提供时钟信号，经副CPU芯片内分频后驱动多通道DAC输出给定波形的驱动信号。由于DDS频率合成器的频率是很精确的，所以驱动信号的频率也是很精确的。

图2是主CPU控制DDS给副CPU提供时钟源的电路示意图，DDS的D7、REST、W_CLK和FQ_UP引脚分别与主CPU的P3.4、P3.5、P3.3和P3.2引脚相连，让主CPU可以控制DDS的输出频率。DDS的时钟输出CLK引脚与副CPU的XTAL1相连，给副CPU提供采样时钟，副CPU的XTAL2悬空。

图3是主副CPU之间通过串口进行通信的原理图，主CPU的RX引脚与副CPU的TX引脚相连，主CPU的TX引脚与副CPU的RX引脚相连，主副CPU的地线相连，这样主副CPU之间就可以进行串口通信，让主CPU可以将波形数据传递给副CPU让其输出。

图4是副CPU控制DAC进行多通道输出的原理图，DAC用的是TLC5628芯片，其CLK、DATA、LOAD和LDAC分别与副CPU的P3.3、P3.2、P3.5和P3.4引脚相连，让副CPU可以控制DAC的各路输出。

图5是DA的电路原理图，DAC电路用的是TLC5628C，为8通道输出，其CLK引脚与副CPU的P3.3引脚相连，其DATA引脚与副CPU的P3.2引脚相连，其LDAC引脚与副CPU的P3.4引脚相连，其LOAD引脚与副CPU的P3.5引脚相连，这样副CPU就可以通过SPI控制DAC的每路输出去控制微陀螺的转动。

图6微陀螺驱动电路的原理图，由DAC某通道输出的信号经过图中RL1、RL2、CL1、CL2构成的截止频率约6kHz的低通滤波器进行平滑滤波后，进入功率级放大输出。每通道的功率级电路均为由大功率集成运放LM675构成的反向比例放大电路，其电压增益为-1，输出电流可达3A。经过放大后的信号由运放的4脚输出，经过限流电阻RL6接入定子线圈，驱动转子转动。

图7是串口通信电路的原理图，PL2303芯片的TEST0和TEST1引脚分别于USB借口的D-和D+相连，XT1引脚与主CPU的TXD引脚相连，DGND引脚与主CPU的RXD引脚相连，这样就可以让主CPU通过USB口与电脑进行串口通信，接收从上位机软件传递过来的波形数据和将主副CPU中存储的波形数据上传到电脑中，对微陀螺的驱动进行控制。

图8是本发明的主CPU的程序流程图，主CPU上电后，进行必要的初始化工作(串口、SPI、液晶屏、DDS等)，进入等待操作命令的状态。此后，如果用户通过上位机软件向其发送控制命令，主CPU会根据命令码进行不同的操作：

命令码0x00代表频率设定功能，主CPU通过配置DDS的输出频率来改变副CPU的运行速度，进而改变输出信号的频率；

命令码0x01代表下载波形功能，如果用户选择将波形保存在主CPU的EEPROM中，则主CPU通过调用IAP功能保存波形，否则主CPU将波形数据转交给副CPU处理；

命令码0x02代表上载波形功能，如果用户选择从主CPU的EEPROM中读取波形，则主CPU读取EEPROM中对应的波形数据，并发送给上位机，否则主CPU从副CPU获取所需的波形数据，转发给上位机；

命令码0x03代表输出开启功能，主CPU首先与副CPU进行通讯，控制副CPU选定将要输出的波形(通过设定副CPU内部的输出波形指针来决定输出波形的形状和相位)并设定输出信号的幅度，接着通过继电器接通功率级电源，将放大后的信号输出到驱动线圈中；

命令码0x04代表输出关闭功能，主CPU通过继电器关掉功率级电源，停止输出：

其他命令码均为无效，不执行任何操作。

图9是副CPU的程序流程图，副CPU上电后，对串口、SPI和DAC进行初始化，然后进入等待操作命令的状态。此后，若接到来自主CPU的控制命令，则根据命令码执行不同操作：

命令码0x00代表下载波形功能，副CPU首先将接收到的波形输出保存在自身的SRAM中，如果主CPU命令要求波形掉电保存，则副CPU通过调用IAP功能保存波形；

命令码0x01代表上载波形功能，副CPU将选定的波形数据取出，并发送给主CPU，并通过主CPU转发给上位机；

命令码0x02代表选择波形功能，副CPU根据命令请求将EEPROM中保存的响应波形数据取出，并存放在SRAM中等待输出；

命令码0x03代表设置幅度功能，副CPU根据命令中写明的幅度值控制输出比例系数，进而改变DAC输出信号的幅度。

其他命令码均为无效，不执行任何操作。

本发明是这样实现的：这种微陀螺驱动装置可以让用户自己在上位机软件中绘制微陀螺驱动波形，然后由上位机软件采集波形数据并通过串口发送给微陀螺驱动装置的主CPU，主CPU将接收到的波形数据保存在自己的或副CPU的EEPROM和FLASH中，通过数据总线将波形数据加载到副CPU的芯片内XRAM中，然后由副CPU控制DA及后级功率放大电路进行输出。主CPU同时还控制DDS频率合成器，给副CPU提供采样时钟，并控制副CPU的运行状态。采样时钟同时作为副CPU运行的时钟源，经副CPU片内分频后驱动多通道DAC输出给定波形的驱动信号。

本发明装置中存在两个嵌入式CPU，分别带有Flash和EEPROM存储器，故可以分别存储波形表数据。每组波形表可以存储多达850个固定波形数据和16个用户自定义波形数据。其中主波形表位于副CPU上，存储较常用的波形，如输出正弦波、方波和三角波，可以根据需要随时进行输出。备用波形表位于主CPU上，可以再用户请求时通过两个CPU之间的数据总线加载到副CPU的片内XRAM中。副CPU的EEPROM中保存有常见的波形，可以直接通过驱动功率级电路进行输出控制微陀螺的转动。由于嵌入式系统灵活易用的特性，本系统能够输出8路任意波形信号，各路信号之间的相位差可以根据需要任意设定，最小分辨率为±6°，甚至还可以在不同通道输出不同波形的信号，并对其相位进行精确控制。

主副CPU用的STC12C5A60S2单片机，LQFP-44封装，具有40个IO口，它有1Kb的EEPROM，可以用来存放波形数据。主副CPU都有UART，主CPU的UART可用来与电脑进行串口通信，P3.0与P3.1引脚，还可与副CPU通信来控制副CPU，与副CPU的P3.0与P3.1引脚相连。DAC电路用的是TLC5628C，为8通道输出，其CLK引脚与副CPU的P3.3引脚相连，其DATA引脚与副CPU的P3.2引脚相连，其LDAC引脚与副CPU的P3.4引脚相连，其LOAD引脚与副CPU的P3.5引脚相连。串口电路所用芯片是PL2303，可以将USB信号转换为串口信号，实现单片机与电脑的通信。放大器用的是LM675放大芯片，将DA的输出进行功率放大驱动微陀螺。DDS电路所用芯片是AD9850，它靠一个125M的有源晶振提供时钟源，给副CPU提供时钟源。显示单元采用的是一块KM12864液晶显示屏，显示单元与主CPU连接。

Claims (6)

1.一种基于DDS的任意波形的微机械陀螺驱动装置，包括上位机、USB串口通信电路、主CPU、副CPU、DDS频率合成器、DA转换器和多个功率级驱动电路，其特征在于：主CPU与USB串口通信电路连接，USB串口通信电路通过USB总线与上位机连接，副CPU通过数据总线与主CPU连接，DDS频率合成器分别与主CPU、副CPU连接，副CPU与DA转换器连接，DA转换器分别与多个功率级驱动电路连接，主CPU一方面通过USB总线与上位机进行通讯，获得上位机用户的操作指令和波形表数据，同时反馈驱动装置的运行状态；另一方面控制DDS频率合成器，由DDS频率合成器给副CPU提供时钟；主CPU将接收到的波形表数据保存在自己的或副CPU的EEPROM和FLASH中，驱动装置运转时，主CPU通过数据总线将波形数据加载到副CPU的芯片内XRAM中，主CPU并控制副CPU的运行状态，由副CPU控制DAC输出指定的波形，经副CPU芯片内分频后驱动DA转换器输出给定波形的驱动信号驱动多个功率驱动级电路，实现微陀螺定子线圈的驱动，同时输出的驱动信号的相位由副CPU的程序进行控制，从而实现驱动输出波形频率的精确控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于DDS的任意波形的微机械陀螺驱动装置，其特征在于：还包括显示单元，所述的显示单元与主CPU连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于DDS的任意波形的微机械陀螺驱动装置，其特征在于：所述的主、副CPU采用STC12C5A60S2单片机。

4.根据权利要求1所述的一种基于DDS的任意波形的微机械陀螺驱动装置，其特征在于：所述的DDS频率合成器采用AD9850芯片。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于DDS的任意波形的微机械陀螺驱动装置，其特征在于：所述的主副CPU各自都带有Flash和EEPROM存储器，能够分别存储波形表数据，每组波形表能够存储850个固定波形数据和16个用户自定义波形数据，其中主波形表位于副CPU上，存储常用的波形，能够根据需要随时进行输出；备用波形表位于主CPU上，能够在用户请求时通过两个CPU之间的数据总线加载到副CPU的片内XRAM中，副CPU的EEPROM中保存有常见的波形，能够直接通过驱动功率级电路进行输出控制微陀螺的转动。

6.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于DDS的任意波形的微机械陀螺驱动装置，其特征在于：本装置能够输出8路任意波形信号，各路信号之间的相位差能够根据需要任意设定，最小分辨率为±6°，或者在不同通道输出不同波形的信号，并对其相位进行精确控制。