CN105716597A - 采用dsp与fpga的微半球谐振陀螺控制及信号检测系统和方法 - Google Patents

采用dsp与fpga的微半球谐振陀螺控制及信号检测系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种采用DSP与FPGA的微半球谐振陀螺控制及信号检测系统和方法，其中：FPGA系统负责微半球谐振陀螺输入信号的捕捉和初步处理，并将初步处理后的输入信号输入给DSP芯片；DSP芯片对初步处理后的输入信号进行数字滤波以及数字解调，并将数字滤波以及数字解调后生成的信号输出至FPGA系统，再通过FPGA系统的D/A模块反馈转化为模拟量反馈给微半球谐振陀螺，其中反馈包括微半球谐振陀螺信号的频率和相位、幅值的多种反馈。本发明可以低成本、高速度、高集成度，适合处理微半球谐振陀螺高频率、高精度的多路信号。

Description

采用DSP与FPGA的微半球谐振陀螺控制及信号检测系统和方法
技术领域
本发明涉及微机电(MEMS)系统技术领域，具体地说，涉及采用DSP与FPGA的微半球谐振陀螺控制及信号检测系统和方法及方法。
背景技术
陀螺仪作为一种载体角速度敏感惯性传感器，在航空、航天、船舶等传统工业领域的姿态控制和导航定位等方面有着非常重要的作用。MEMS微半球谐振陀螺具有尺寸质量小、功耗低、成本低、环境适应性好、集成度高等优点。
随着我国经济的发展，我国在军事、工业及消费电子等领域对高性能、小尺寸、高可靠性的MEMS微半球谐振陀螺的需求正变得日益迫切。
半球谐振陀螺是振动式陀螺的一种，但是与大多数振动陀螺仪相比有着很大的优势：从整体结构上而言，其在振动过程中其应力分布更为均匀，更不容易发生破碎；从具体结构而言，半球形结构的对称性能更好，驱动与检测模态的频率分裂更小，振动的品质因数更高。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供采用DSP与FPGA的微半球谐振陀螺控制及信号检测系统和方法及方法，解决半球谐振陀螺电路控制以及信号检测方案精度较低、漂移大、成本高等等不足。
为实现以上目的，本发明的技术方案是：
根据本发明的第一方面，提供一种采用DSP与FPGA的微半球谐振陀螺控制及信号检测系统，所述系统包括：
一个微半球谐振陀螺，其上具有多个电极，且多个电极按不同功能通过导线引出连接至FPGA系统的多路A/D模块与D/A模块上；
一个连接有多路A/D模块以及D/A模块的FPGA系统；
一个通过总线与FPGA系统相连的DSP芯片；
其中：微半球谐振陀螺是整个系统的控制对象，同时也是检测对象；FPGA系统负责微半球谐振陀螺输入信号的捕捉和初步处理，并将初步处理后的输入信号输入给DSP芯片；DSP芯片对初步处理后的输入信号进行数字滤波以及数字解调，并将数字滤波以及数字解调后生成的信号输出至FPGA系统，再通过FPGA系统的D/A模块反馈转化为模拟量反馈给微半球谐振陀螺，其中反馈包括微半球谐振陀螺信号的频率和相位(数字PLL)、幅值(数字AGC)的多种反馈。
本发明通过在微半球谐振陀螺的多个电极上施加信号并进行检出，通过微半球谐振陀螺各个电极的信号输入进DSP芯片与FPGA系统进行解调反馈，从而对整体信号进行分析，使得在微半球谐振陀螺稳定状态进行工作，完成对微半球谐振陀螺信号的控制与检测，得到微半球谐振陀螺最终角速度信号。
优选的，所述的微半球谐振陀螺上的电极按功能分为驱动电极、检测电极、监测电极、平衡电极，其中：驱动电极以及平衡电极负责接收FPGA系统的反馈信号，检测电极以及监测电极负责向DSP芯片与FPGA系统输出微半球谐振陀螺的控制驱动信号。
优选地，所述的微半球谐振陀螺的中心频率在百kHz量级。
优选的，所述的FPGA系统中：A/D模块与微半球谐振陀螺的检测电极以及监测电极相连，D/A模块与微半球谐振陀螺的驱动电极以及平衡电极相连。
更优选的，所述的A/D模块与D/A模块的频率至少在10MHz量级。
更优选的，所述的A/D模块采样位数至少要12位，若不考虑成本问题，可采用更高位数的A/D模块。
优选的，所述的DSP芯片拥有高浮点运算精度以及速度，可以在一个周期内同时处理一个乘与加运算，同时，DSP芯片也更适合处理数字解调以及数字滤波的工作，可以有效的提高系统的效率。
优选的，所述的微半球谐振陀螺在连接A/D模块之前，需加电荷放大器以保证信号的检出。
优选的，所述系统最终输出的直流电信号与微半球谐振陀螺敏感角速度成线性关系。
根据本发明的第二方面，提供一种采用DSP与FPGA的微半球谐振陀螺控制及信号检测方法，所述方法为：
DSP芯片与FPGA系统通过D/A模块向微半球谐振陀螺的驱动电极输入中心频率的驱动信号，使微半球谐振陀螺起振，微半球谐振陀螺的输入信号通过FPGA系统上的A/D模块进入FPGA系统，经初步处理后进入DSP芯片，经过数字解调和数字滤波后，DSP芯片将生成的反馈信号传输给FPGA系统，FPGA系统上的A/D模块再将反馈转化为模拟量反馈给微半球谐振陀螺；
一旦外界有角速度变化，微半球谐振陀螺通过哥氏力效应，其检测电极以及监测电极上信号发生变化，此时DSP芯片与FPGA系统的解调算法可将此变化检出，同时计算反馈信号通过D/A模块输出至微半球谐振陀螺的平衡电极，使得微半球谐振陀螺保持回原来的稳定工作状态；这时微半球谐振陀螺的角速度信号也得到检出，其输出为一直流电信号，通过标定即可得到外界的角速度，这即为DSP芯片与FPGA系统下的微半球谐振陀螺的力反馈模式。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明充分利用FPGA集成性好、接口速度快、功耗小以及DSP高浮点运算速度、精度、数字信号处理效率高的特点，从而可以低成本，高速度，高集成度，适合处理微半球谐振陀螺高频率，高精度的多路信号，解决半球谐振陀螺电路控制以及信号检测方案精度较低、漂移大、成本高等等不足。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例的原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，一种采用DSP与FPGA的微半球谐振陀螺控制及信号检测系统，包括：一个微半球谐振陀螺，一个连接有多路高速高精度A/D以及D/A模块的FPGA系统，一个通过总线与FPGA系统相连、具有高浮点运算速度与精度的DSP芯片；其中：
微半球谐振陀螺是系统的控制对象，同时也是检测对象，微半球谐振陀螺上具有多个电极，多个电极按不同功能通过导线引出分别连接至所述FPGA系统的多路A/D模块与D/A模块上；
FPGA系统负责微半球谐振陀螺输入信号的捕捉和初步处理，以及反馈信号通过D/A模块转换输出至微半球谐振陀螺；
FPGA将初步处理后的半球谐振陀螺输入信号输入DSP芯片进行数字滤波以及数字解调工作，DSP芯片将滤波以及解调后的信号输出至FPGA系统，再通过FPGA系统的D/A模块反馈给半球谐振陀螺，其中反馈包括了半球谐振陀螺信号的频率和相位(数字PLL)，幅值(数字AGC)的多种反馈。
在一优选实施方式中，所述微半球谐振陀螺的中心频率在百kHz量级，其电极按功能分为驱动电极、检测电极、监测电极、平衡电极，其中：驱动电极以及平衡电极负责接收FPGA系统的反馈信号，检测电极以及监测电极负责向DSP芯片与FPGA系统输出半球谐振陀螺的控制驱动信号。
在一优选实施方式中，所述FPGA系统连接多路A/D模块以及多路D/A模块，其中：A/D模块与微半球谐振陀螺的检测电极以及监测电极相连，D/A模块与微半球谐振陀螺的驱动电极以及平衡电极相连。
在一优选实施方式中，因微半球谐振陀螺信号频率级别在百kHz量级，根据采样定理以及系统需求，所述A/D模块与D/A模块的频率至少在10MHz量级。
在一优选实施方式中，因微半球谐振陀螺信号幅值较小，所述A/D模块采样位数至少要12位，若不考虑成本问题，可采用更高位数的A/D模块。
在一优选实施方式中，采用的所述DSP芯片拥有高浮点运算精度以及速度的，可以在一个周期内同时处理一个乘与加运算，同时，DSP芯片也更适合处理数字解调以及数字滤波的工作，可以有效的提高系统的效率。
在一优选实施方式中，因微半球谐振陀螺信号为小的电荷信号，在连接A/D模块之前，需增加电荷放大器以保证信号的检出。
利用上述的控制检测系统进行检测时，采用DSP与FPGA的微半球谐振陀螺控制及信号检测方法具体过程如下：
DSP芯片与FPGA系统通过D/A模块向微半球谐振陀螺的驱动电极输入中心频率的驱动信号，使微半球谐振陀螺起振；微半球谐振陀螺的输入信号通过FPGA系统上的A/D模块进入FPGA系统，经初步处理后进入DSP芯片，经过数字解调和数字滤波后，DSP芯片将生成的反馈信号传输给FPGA系统，FPGA系统上的A/D模块再将反馈转化为模拟量反馈给微半球谐振陀螺；
一旦外界有角速度变化，微半球谐振陀螺通过哥氏力效应，其检测电极以及监测电极上信号发生变化，此时DSP芯片与FPGA系统的解调算法将可将此变化检出，同时计算反馈信号通过D/A模块输出至微半球谐振陀螺的平衡电极，使得微半球谐振陀螺保持回原来的稳定工作状态；这时，微半球谐振陀螺的角速度信号也得到了检出，输出为一直流电信号，通过标定即可得到外界的角速度，这即为DSP芯片与FPGA系统下的微半球谐振陀螺的力反馈模式。
本实施例中，系统最终输出的直流电信号与微半球谐振陀螺敏感角速度成线性关系。
本发明充分利用的FPGA系统集成性好、接口速度快、功耗小以及DSP芯片高浮点运算速度、精度、数字信号处理效率高的特点，从而可以低成本，高速度，高集成度，适合处理微半球谐振陀螺高频率，高精度的多路信号。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种采用DSP与FPGA的微半球谐振陀螺控制及信号检测系统，其特征在于，所述系统包括：
一个微半球谐振陀螺，其上具有多个电极，且多个电极按不同功能通过导线引出连接至FPGA系统的多路A/D模块与D/A模块上；
一个连接有多路A/D模块以及D/A模块的FPGA系统；
一个通过总线与FPGA系统相连的DSP芯片；
其中：微半球谐振陀螺是整个系统的控制对象，同时也是检测对象；FPGA系统负责微半球谐振陀螺输入信号的捕捉和初步处理，并将初步处理后的输入信号输入给DSP芯片；DSP芯片对初步处理后的输入信号进行数字滤波以及数字解调，并将数字滤波以及数字解调后生成的信号输出至FPGA系统，再通过FPGA系统的D/A模块反馈转化为模拟量反馈给微半球谐振陀螺，其中反馈包括微半球谐振陀螺信号的频率和相位、幅值的多种反馈。
2.根据权利要求1所述的采用DSP与FPGA的微半球谐振陀螺控制及信号检测系统，其特征在于，所述的微半球谐振陀螺上的电极按功能分为驱动电极、检测电极、监测电极、平衡电极，其中：驱动电极以及平衡电极负责接收FPGA系统的反馈信号，检测电极以及监测电极负责向DSP芯片与FPGA系统输出微半球谐振陀螺的控制驱动信号。
3.根据权利要求2所述的采用DSP与FPGA的微半球谐振陀螺控制及信号检测系统，其特征在于，所述的FPGA系统中：A/D模块与微半球谐振陀螺的检测电极以及监测电极相连，D/A模块与微半球谐振陀螺的驱动电极以及平衡电极相连。
4.根据权利要求3所述的采用DSP与FPGA的微半球谐振陀螺控制及信号检测系统，其特征在于，所述的A/D模块与D/A模块的频率至少在10MHz量级。
5.根据权利要求4所述的一种基于微半球谐振陀螺的采用DSP与FPGA的信号控制检测方案，其特征在于，所述的A/D模块采样位数至少12位。
6.根据权利要求1-5任一项所述的采用DSP与FPGA的微半球谐振陀螺控制及信号检测系统，其特征在于，所述的微半球谐振陀螺的中心频率在百kHz量级。
7.根据权利要求1-5任一项所述的采用DSP与FPGA的微半球谐振陀螺控制及信号检测系统，其特征在于，所述的DSP芯片拥有高浮点运算精度以及速度，能在一个周期内同时处理一个乘与加运算。
8.根据权利要求1-5任一项所述的采用DSP与FPGA的微半球谐振陀螺控制及信号检测系统，其特征在于，所述的微半球谐振陀螺在连接A/D模块之前，设置电荷放大器以保证信号的检出。
9.根据权利要求1-5任一项所述的采用DSP与FPGA的微半球谐振陀螺控制及信号检测系统，其特征在于，所述系统最终输出的直流电信号与微半球谐振陀螺敏感角速度成线性关系。
10.一种采用上述权利要求1-9任一项所述系统的采用DSP与FPGA的微半球谐振陀螺控制及信号检测方法，其特征在于：
DSP芯片与FPGA系统通过D/A模块向微半球谐振陀螺的驱动电极输入中心频率的驱动信号，使微半球谐振陀螺起振，微半球谐振陀螺的输入信号通过FPGA系统上的A/D模块进入FPGA系统，经初步处理后进入DSP芯片，经过数字解调和数字滤波后，DSP芯片将生成的反馈信号传输给FPGA系统，FPGA系统上的A/D模块再将反馈转化为模拟量反馈给微半球谐振陀螺；
一旦外界有角速度变化，微半球谐振陀螺通过哥氏力效应，其检测电极以及监测电极上信号发生变化，此时DSP芯片与FPGA系统的解调算法将此变化检出，同时计算反馈信号通过D/A模块输出至微半球谐振陀螺的平衡电极，使得微半球谐振陀螺保持回原来的稳定工作状态；这时微半球谐振陀螺的角速度信号也得到检出，其输出为一直流电信号，通过标定即得到外界的角速度，这即为DSP芯片与FPGA系统下的微半球谐振陀螺的力反馈模式。
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