CN103248364A

CN103248364A - 一种惯性传感器imu信号模数转换模块

Info

Publication number: CN103248364A
Application number: CN2013101259610A
Authority: CN
Inventors: 张涛; 徐晓苏; 刘锡祥; 王立辉; 李瑶; 李佩娟
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2033-04-12
Also published as: CN103248364B

Abstract

本发明提出了一种惯性传感器IMU信号模数转换模块，其实现了200Hz的高速同步采样，并且在采样前对陀螺仪和加速度计信号进行了两级运放预处理，将信号放大、滤波及整流后使用，采样后进行实时数据建模及补偿提高其采样精度。同时实时报告IMU故障及工作温度，提高捷联系统和组合导航系统的可靠性及容错性。

Description

一种惯性传感器IMU信号模数转换模块

技术领域

本发明涉及一种惯性传感器IMU信号模数转换模块，特别适用于捷联惯性导航系统惯性传感器信号采集、故障诊断及数据精度标定方法。

背景技术

进入21世纪以来，使用捷联式系统代替平台式系统完成导航任务，已经成为新世纪惯性技术发展的趋势。由于飞机、战术导弹、鱼雷的导航系统具有中等精度与低成本的要求，采用捷联式惯导系统十分适宜，因此在这些领域中已经广泛采用捷联式系统。据有关资料报道，1984年以前美国军用惯导系统全部为平台式惯导系统，到了1989年已有一半改为捷联式惯导系统，而到1994年捷联式惯导系统己占有了90﹪的比重。

惯性传感器IMU（包括陀螺仪和加速度计）是捷联惯性导航系统最核心的原件，捷联系统根据惯性传感器输出的信息（陀螺仪敏感运动载体的角速率，加速度计敏感运动载体的线加速度）根据捷联算法计算出运动载体的姿态角、速度和位置等导航参数，因此IMU的数据采集与预处理显得极为重要。

首先在捷联导航系统中陀螺仪和加速度计的输出信号具有信号微弱、干扰大、噪音多等特点，在进行采样前必须先进行预处理，将信号放大、滤波及整流后才能使用。其次，捷联惯性导航系统拥有导航信息更新率较高的特点，一般采样频率得到100Hz或者200Hz甚至更高，如此高的频率必然对所有陀螺仪和加速度计的采样同步性提出更高的要求。再次，IMU属于高精度敏感元件，器件特性及精度受温度等物理量影响较大，因此，亟需实时监测IMU及内部工作环境温度，供构建温度补偿模型并采用数据拟合等标定方法提高IMU输出精度。最后，捷联系统由于其误差随时间增大的缺点促使人们经常将其与其他导航系统组合使用，如捷联/GPS组合系统等，因此对组合导航系统的故障自诊断特性及容错性提出更高的要求，首先需要在硬件上实时查询IMU的工作状态，当出现故障时能够及时报错。

本发明针对以上问题设计了一种惯性传感器IMU信号模数转换模块，实现了200Hz的高速同步采样，并且在采样前对陀螺仪和加速度计信号进行了两级运放预处理，将信号放大、滤波及整流后使用，采样后进行实时数据建模及补偿提高其采样精度。同时实时报告IMU故障及工作温度，提高捷联系统和组合导航系统的可靠性及容错性。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，设计一种惯性传感器IMU信号模数转换模块，特别适用于捷联惯性导航系统惯性传感器信号采集、故障诊断及数据精度标定方法。

本发明的技术解决方案为：

一种惯性传感器IMU信号模数转换模块，其包括惯性传感器IMU模拟信号预处理模块和模数转换、自诊断与数据平滑模块，其特征在于：所述IMU模拟信号预处理模块中将3路动调挠性陀螺仪和3路石英加速度计输出的模拟电流信号分别经过3路高精度陀螺仪信号采样电阻和3路高精度加速度计信号采样电阻转换为电压信号，3路高精度陀螺仪信号分别经过3路前向滤波通道进行滤波，3路加速度计信号分别经过3路前向滤波通道进行滤波；

所述3路前向滤波通道输出的3路陀螺仪模拟信号分别经过所述模数转换、自诊断与数据平滑模块中的3片16位模数转换ADC芯片进行模数转换，得到串行转换数据，再经过1片现场可编辑逻辑芯片CPLD进行串行数据到并行数据的转换得到16位IMU并行转换数据；

所述3路前向滤波通道输出的3路加速度计模拟信号分别经过所述模数转换、自诊断与数据平滑模块中的3片16位模数转换ADC芯片进行模数转换，得到串行转换数据，再经过1片现场可编辑逻辑芯片CPLD进行串行数据到并行数据的转换得到16位IMU并行转换数据；

高速微控制单元MCU通过8位数据总线分时获取所述16位IMU并行转换数据、IMU故障诊断监测信号和温度传感器芯片测量的温度值，以固定报文格式经光耦隔离与电平转换装置后发送给导航计算机系统，同时通过RS422串口接收导航计算机系统传送过来的200Hz时钟信号对IMU采样频率进行控制。

本发明还包括以下特征：

1. 所述的6路前向滤波通道中每路滤波通道由两片运算放大器OP177组成，第一片完成电压滤波，第二片完成电压跟随，同时在输出末端增加由整流二极管和稳压二极管构成的限幅电路，将输出电压控制在 -5V到+5V之间。

2. 所述的6片16位ADC芯片选用MAX195芯片，电源为+5V和-5V，参考电压为+4.096V，且配置为双极性模式，即输入电压范围为-4.096V到+4.096V，CPLD控制6片MAX195同步采样。

3. 所述2片CPLD采用ALTERA 7160STC100芯片，一片CPLD将3路动调挠性陀螺仪串行数据转换为并行数据，另一片CPLD将3路石英加速度计串行数据转换为并行数据，所述2片CPLD中均使用7474对6M时钟进行分频得到1.5M时钟作为所述MAX195的转换时钟信号AD_CLK，将所述高速MCU的P2脚与所述AD_CLK相“或”得到的信号作为所述MAX195的转换开始信号，所述2片CPLD中均使用6片8位输出移位寄存器74595，每路使用2片，将串行数据转换为16位的并行数据，所述6片MAX195的转换完成信号均取反相再相“或”得到的信号输入所述高速MCU外部中断0引脚，该信号通知所述MCU读取所述CPLD输出的16位并行数据，同时所述CPLD通过所述高速MCU读取所述IMU故障诊断监测信号，所述移位寄存器74595通过所述高速MCU根据地址译码进行片选读取各路并行转换结果。

4. 所述高速MCU选用WINBOND77E58，外部配置看门狗芯片MAX813L，选用引脚5和引脚7配置为I2C总线对所述温度传感器芯片进行控制，并读取温度值，所述200Hz时钟信号输入外部中断1引脚，通过中断服务程序完成对所述看门狗芯片MAX813L的循环写操作和控制所述MAX195的采样频率。

5. 所述光耦隔离与电平转换装置选用2片HCPL2630作为光耦隔离器件，1片用于隔离所述200Hz时钟，1片用于隔离所述高速MCU串口发送报文信号，选用MC3486实现导航计算机系统的200Hz时钟RS422到TTL电平转换，选用MC3487实现所述高速MCU串口数据的TTL到RS422电平转换。

本发明的原理：

一种惯性传感器IMU信号模数转换模块，其包括惯性传感器IMU模拟信号预处理模块和模数转换、自诊断与数据平滑模块，其特征在于：

所述IMU模拟信号预处理模块中将3路动调挠性陀螺仪和3路石英加速度计输出的模拟电流信号分别经过3路高精度陀螺仪信号采样电阻和3路高精度加速度计信号采样电阻转换为电压信号，3路高精度陀螺仪信号分别经过3路前向滤波通道进行滤波，3路加速度计信号分别经过3路前向滤波通道进行滤波；

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明能够适用于任何一种模拟信号输出的IMU的6路数据采集，并且拥有高精度、采样频率高等特点；

（2）本发明采用MCU与CPLD控制IMU的绝对同步采样、建模及标定，具有成本低、精度拟合好、高速串口等优点；

（3）本发明能够实时监控IMU工作环境温度及报告IMU故障，具有可靠性强及容错性高的优点。

附图说明

图1为IMU数据采集原理图；

图2为单路前向滤波通道电路图；

图3为MAX195采样开始信号生成原理图；

图4为CPLD串行数据转并行数据原理图；

图5为惯性传感器故障自诊断原理图；

图6为高速MCU访问DS1621流程图；

图7为高速MCU主程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

（1）图2为所述前向滤波通道单路通道电路图。每路前向滤波通道中使用2片运算放大器OP177，采用两级滤波的结构，第一级由两级R（电阻）C（电容）滤波环节和同相比例集成运放OP177组成有源低通滤波器，其中第一级电容C接至输出端，引入适当的正反馈，以改善幅频特性。其功能是抑制高频信号。第二级为由1片OP177构成的电压跟随电路，起到缓冲、隔离、提高带负载能力的作用。同时在滤波电路输出的末端增加了由整流二极管和稳压二极管构成的限幅电路，整流二极管选用IN4007，正向压降为0.7V，稳压二极管选用ZMM3V6ST，将输出电压控制在-5V~+5V之间，起到限压保护作用，防止电路中的瞬时脉冲尖峰电压（浪涌电压）对电路产生影响。

（2）图3为MAX195采样开始信号生成原理图，图中CLK为所述6M时钟信号，经过7474四分频电路后由引脚2Q输出所述1.5M时钟信号AD_CLK，用于所述6片MAX195的工作时钟，该信号与图中START信号（为所述MCU的P2脚输出信号）相“或”生成的所述CONV信号用于启动6片MAX195开始采样。设计原理是：根据MAX195的工作时序，要求在使用中CONV信号必须与AD_CLK同步，即应确保CONV信号在转换时钟AD_CLK为低时出现，并且至少保持40ns的时间。因此将所述高速MCU的P2脚作为启动信号START，与AD_CLK相“或”后再作为MAX195转换信号CONV，这样，在START信号处于低电平时，确保了AD_CLK与CONV的同步，并且所述高速MCU通过发送低脉冲信号控制所述MAX195模数转换的开始。

（3）图4为CPLD串行数据转并行数据原理图。该图为一片MAX195串行数据转换为并行数据，其他MAX195以此类推。图中使用2片74595，MAX195模数转换结束信号EOC与所述AD_CLK信号相“与”取反信号接至74595数据寄存器移位时钟SRCLK，EOC信号取反接至74595RCLK端，当MAX195模数转换结束后，RCLK收到一个上升沿，此时将16位转换结果分别在2片74595的输出端QA~QH输出。，每片MAX195的EOC信号EOC1~EOC6取反相“或”接至所述MCU的外部中断0输入端，通知MCU读取前一次的16位转换值。每片74595的QA~QH端均接至MCU的8位数据总线D0~D7，所述MCU的地址A8，A9和A10通过38译码器74138对每片74595进行选址读取各自的8位转换值。

（4）图5为所述惯性传感器故障自诊断原理图。图中，DIAG1~DIAG8对应陀螺仪和加速度计的故障位，依次为温度控制是否到位标志、激磁电源故障、陀螺2电源故障、陀螺1电源故障、陀螺2的Y轴信号故障、陀螺2的X轴陀螺信号故障、陀螺1的Y轴信号故障、陀螺1的X轴信号故障。8位故障码由高速MCU的A8、A9和A10地址线通过74138进行选址读取。

（5）图6为所述高速MCU通过访问所述温度传感器芯片DS1621流程图。首先高速MCU需要启动

总线，接着通过发送DS1621地址和写命令的方式对DS1621进行配置，若DS1621返回应答信号则高速MCU发送“温度输出”指令，若DS1621返回应答信号则高速MCU重新启动总线发送DS1621地址并执行读取温度操作，返回非应答位并结束总线。高速MCU与DS1621进行通讯时，高速MCU作为主机，DS1621作为从器件，遵循

总线协议。

（6）图7为高速MCU主程序流程图。首先进行变量定义和初始化，外部中断及串口初始化，延时5s后对AD芯片进行自检，判断外部200Hz时统是否到来，一旦到来后开始启动AD转换指令，当6路AD全部转换完成时读取转换结果，按照同样的方法采样256次并求和，对结果进行数据建模、标定及补偿。读取故障码和温度值，组织报文并通过串口发送。再重复以上流程。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种惯性传感器IMU信号模数转换模块，其包括惯性传感器IMU模拟信号预处理模块（1）和模数转换、自诊断与数据平滑模块（2），其特征在于：

所述IMU模拟信号预处理模块（1）中将3路动调挠性陀螺仪（3）和3路石英加速度计（4）输出的模拟电流信号分别经过3路高精度陀螺仪信号采样电阻（5）和3路高精度加速度计信号采样电阻（6）转换为电压信号，3路高精度陀螺仪信号分别经过3路前向滤波通道（7）进行滤波，3路加速度计信号分别经过3路前向滤波通道（8）进行滤波；

所述3路前向滤波通道（7）输出的3路陀螺仪模拟信号分别经过所述模数转换、自诊断与数据平滑模块（2）中的3片16位模数转换ADC芯片（9）进行模数转换，得到串行转换数据，再经过1片现场可编辑逻辑芯片CPLD（11）进行串行数据到并行数据的转换得到16位IMU并行转换数据；

所述3路前向滤波通道（8）输出的3路加速度计模拟信号分别经过所述模数转换、自诊断与数据平滑模块（2）中的3片16位模数转换ADC芯片（10）进行模数转换，得到串行转换数据，再经过1片现场可编辑逻辑芯片CPLD（12）进行串行数据到并行数据的转换得到16位IMU并行转换数据；

高速微控制单元MCU（14）通过8位数据总线分时获取所述16位IMU并行转换数据、IMU故障诊断监测信号（13）和温度传感器芯片（15）测量的温度值，以固定报文格式经光耦隔离与电平转换装置（16）和（17）后发送给导航计算机系统（18），同时通过RS422串口接收导航计算机系统（18）传送过来的200Hz时钟信号对IMU采样频率进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种惯性传感器IMU信号模数转换模块，其特征在于：所述的3路前向滤波通道（7）和（8）中每路滤波通道由两片运算放大器OP177组成，第一片完成电压滤波，第二片完成电压跟随，同时在输出末端增加由整流二极管和稳压二极管构成的限幅电路，将输出电压控制在 -5V到+5V之间。

3.根据权利要求1所述的一种惯性传感器IMU信号模数转换模块，其特征在于：所述的6片16位ADC芯片（9）和（10）选用MAX195芯片，电源为+5V和-5V，参考电压为+4.096V，且配置为双极性模式，即输入电压范围为-4.096V到+4.096V，所述CPLD（11）和（12）控制6片MAX195同步采样。

4.根据权利要求1所述的一种惯性传感器IMU信号模数转换模块，其特征在于：所述CPLD（11）和CPLD（12）采用ALTERA 7160STC100芯片，CPLD（11）将3路动调挠性陀螺仪串行数据转换为并行数据，CPLD（12）将3路石英加速度计串行数据转换为并行数据，所述CPLD（11）和所述CPLD（12）中均使用7474对6M时钟进行分频得到1.5M时钟作为所述MAX195的转换时钟信号AD_CLK，将所述高速MCU的P2脚与所述AD_CLK相“或”得到的信号作为所述MAX195的转换开始信号

，所述CPLD（11）和所述CPLD（12）中均使用6片8位输出移位寄存器74595，每路使用2片，将串行数据转换为16位的并行数据，所述6片MAX195的转换完成信号均取反相再相“或”得到的信号输入所述高速MCU（14）外部中断0引脚，该信号通知所述MCU（14）读取所述CPLD（11）和（12）输出的16位并行数据，同时所述CPLD（11）通过所述高速MCU（14）读取所述IMU故障诊断监测信号（13），所述移位寄存器74595通过所述高速MCU（14）根据地址译码进行片选读取各路并行转换结果。

5.根据权利要求4所述的一种惯性传感器IMU信号模数转换模块，其特征在于：所述高速MCU（14）选用WINBOND77E58，外部配置看门狗芯片MAX813L，选用引脚5和引脚7配置为I2C总线对所述温度传感器芯片（15）进行控制，并读取温度值，所述200Hz时钟信号输入外部中断1引脚，通过中断服务程序完成对所述看门狗芯片MAX813L的循环写操作和控制所述MAX195的采样频率。

6.根据权利要求1所述的一种惯性传感器IMU信号模数转换模块，其特征在于：所述光耦隔离与电平转换装置（16）和（17）选用2片HCPL2630作为光耦隔离器件，1片用于隔离所述200Hz时钟，1片用于隔离所述高速MCU（14）串口发送报文信号，选用MC3486实现导航计算机系统的200Hz时钟RS422到TTL电平转换，选用MC3487实现所述高速MCU（14）串口数据的TTL到RS422电平转换。