CN107356250A - 适用于单片微型定位导航授时系统的分时复用集成电路 - Google Patents

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CN107356250A CN201710557972.4A CN201710557972A CN107356250A CN 107356250 A CN107356250 A CN 107356250A CN 201710557972 A CN201710557972 A CN 201710557972A CN 107356250 A CN107356250 A CN 107356250A
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周骏
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Abstract

本发明提供了适用于单片微型定位导航授时系统的分时复用集成电路，属于定位导航领域，包括至少三轴向的微机电陀螺仪、三轴向的微机电加速度计、微时钟以及多路高速开关模块。通过多路高速开关模块根据接收到信息解算控制电路产生的SCS信号，继而高速切换不同轴的微机电陀螺仪和微机电加速度计，使得不同轴的微机电陀螺仪和微机电加速度计与后面的测控集成电路对接，从而使得一套微机电陀螺仪测控集成电路在不同时刻为三轴向的微机电陀螺仪服务，同时，使得一套微机电加速度计测控集成电路在不同时刻为三轴向的微机电加速度计服务，从而在不影响其检测的情况下不仅体积小、功耗低，还降低了成本，提高了整个系统的集成度。

Description

适用于单片微型定位导航授时系统的分时复用集成电路
技术领域
本发明属于定位导航领域，特别涉及适用于单片微型定位导航授时系统的分时复用集成电路。
背景技术
微型定位导航授时(Micro Positioning，Navigation and Timing，Micro-PNT)系统由DARPA(美国国防高级研究计划局)提出，其研究初衷在卫星定位系统暂时失效或短时间内无法工作的情况下，通过利用微惯导系统和高精度微时钟达到短时间高精度导航和定位的目的。
典型的Micro-PNT系统至少包含三轴向的微机电陀螺仪、三轴向的微机电加速度计和高精度微时钟，并且微机电陀螺仪、加速度计和高精度微时钟等器件需要配合相关电路才能正常工作，所以Micro-PNT系统中还应包含相应的电路控制和解算系统。因此Micro-PNT系统存在集成度差的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的缺点和不足，本发明提供了使用多路高速开关模块对微机电陀螺仪、微机电加速度计的信号传输线路进行分时控制、从而简化系统结构的适用于单片微型定位导航授时系统的分时复用集成电路。
为了达到上述技术目的，本发明提供了适用于单片微型定位导航授时系统的分时复用集成电路，包括至少三轴向的微机电陀螺仪、三轴向的微机电加速度计和微时钟，所述三轴向的微机电陀螺仪经多路高速开关模块连接有三轴向的微机电陀螺仪测控集成电路，所述三轴向的微机电陀螺仪测控集成电路的输出端连接信息解算控制电路；
所述三轴向的微机电加速度计经所述多路高速开关模块连接有三轴向的微机电加速度计测控集成电路，所述三轴向的微机电加速度计测控集成电路的输出端连接所述信息解算控制电路；
所述微时钟连接有微时钟调理集成电路，所述微时钟调理集成电路的输出端连接所述信息解算控制电路。
可选的，所述多路高速开关模块包括：
多路高速开关控制模块，在所述多路高速开关控制模块上连接有受所述多路高速开关控制模块控制的陀螺驱动模态幅值检测通道开关、陀螺检测模态幅值检测通道开关、加速度计工作模态幅值检测通道开关、陀螺驱动力控制通道开关、陀螺正交校正控制通道开关、陀螺检测力反馈控制通道开关、陀螺模态调谐控制通道开关、加速度计驱动力控制通道开关、加速度计检测力反馈控制通道开关。
可选的，所述三轴向的微机电陀螺仪包括至少三个分别用于检测载体坐标系X、Y、Z三个方向的转动角速度信息的微机电陀螺仪，每个微机电陀螺仪所处轴线在空间范围内两两正交。
可选的，所述三轴向的微机电加速度计包括至少三个分别用于检测载体坐标系X、Y、Z三个方向的线加速度信息的微机电加速度计，每个微机电加速度计所处轴线在空间范围内两两正交。
可选的，当所述三轴向的微机电陀螺仪处于正常工作状态时，所述三轴向的微机电陀螺仪测控集成电路包括驱动回路和检测回路；
其中，所述驱动回路包括第一检测接口、第一放大器、PLL锁相环电路、信号幅度提取电路、驱动控制器、第一调制器、第一直流和交流叠加电路；
所述检测回路包括第二检测接口、第二放大器、相敏解调器、第一低通滤波器。
可选的，当所述检测回路处于正交校正和检测闭环工作状态时，所述三轴向的微机电陀螺仪测控集成电路还包括检测控制器、第二低通滤波器、第二调制器、第二直流和交流叠加电路。
可选的，当所述三轴向的微机电加速度计处于谐振工作状态时，所述三轴向的微机电加速度计测控集成电路包括驱动回路和测频电路。
可选的，当所述三轴向的微机电加速度计处于摆式工作方式时，所述三轴向的微机电加速度计测控集成电路包括第三放大器、第三低通滤波器。
可选的，所述微时钟调理集成电路包括微时钟物理系统接口电路、分频器、鉴相器、第四低通滤波器、压控振荡器。
可选的，所述信息解算控制电路包括卡尔曼滤波电路、积分电路、惯性导航计算电路。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：通过多路高速开关模块根据接收到信息解算控制电路产生的SCS信号，继而高速切换不同轴的微机电陀螺仪和微机电加速度计，使得不同轴的微机电陀螺仪和微机电加速度计与后面的测控集成电路对接，从而使得一套微机电陀螺仪测控集成电路在不同时刻为三轴向的微机电陀螺仪服务，同时，使得一套微机电加速度计测控集成电路在不同时刻为三轴向的微机电加速度计服务，从而在不影响其检测的情况下不仅体积小、功耗低，还降低了成本，提高了整个系统的集成度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述适用于单片微型定位导航授时系统的分时复用集成电路的结构示意图；
图2是本发明所述多路高速开关模块的结构示意图；
图3是本发明所述三轴向的微机电陀螺仪测控集成电路的结构示意图；
图4是本发明所述三轴向的微机电加速度计测控集成电路的结构示意图；
图5是本发明所述信息解算控制电路的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的结构和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的结构作进一步地描述。
实施例一
本发明提供了适用于单片微型定位导航授时系统的分时复用集成电路，包括至少三轴向的微机电陀螺仪、三轴向的微机电加速度计和微时钟，所述三轴向的微机电陀螺仪经多路高速开关模块1连接有三轴向的微机电陀螺仪测控集成电路2，所述三轴向的微机电陀螺仪测控集成电路2的输出端连接信息解算控制电路5；
所述三轴向的微机电加速度计经所述多路高速开关模块1连接有三轴向的微机电加速度计测控集成电路3，所述三轴向的微机电加速度计测控集成电路3的输出端连接所述信息解算控制电路5；
所述微时钟连接有微时钟调理集成电路4，所述微时钟调理集成电路4的输出端连接所述信息解算控制电路5。
在实施中，适用于单片微型定位导航授时系统的分时复用集成电路，包括至少三轴向的微机电陀螺仪、三轴向的微机电加速度计、微时钟以及多路高速开关模块1，如图1所示，通过多路高速开关模块1根据接收到信息解算控制电路5产生的SCS(Sequence ControlSystem顺序控制系统)信号，继而高速切换不同轴的微机电陀螺仪和微机电加速度计，使得不同轴的微机电陀螺仪和微机电加速度计分别与不同轴的微机电陀螺仪测控集成电路和微机电加速度计测控集成电路对接，从而使得一套微机电陀螺仪测控集成电路在不同时刻为三轴向的微机电陀螺仪服务。
同时，使得一套微机电加速度计测控集成电路在不同时刻为三轴向的微机电加速度计服务，还有微时钟调理集成电路4时刻为微时钟服务。由以前的微机电陀螺仪测控集成电路和微机电加速度计测控集成电路各自三套化为各自一套，从而在不影响其检测的情况下不仅体积小、功耗低，还降低了成本。
通过微时钟将获得高精度时间信息传输至微时钟调理集成电路4，并将微时钟输出信号传输至信息解算控制电路5；通过任一轴向的微机电陀螺仪将获得载体在空间的转动角速度信息传输至对应轴向的微机电陀螺仪测控集成电路，并将陀螺输出信号传输至信息解算控制电路5；任一轴向的微机电加速度计将获得载体在空间的线加速度信息传输至对应轴向的微机电加速度计测控集成电路，并将加速度计输出信号传输至信息解算控制电路5，进一步地，利用高精度时间信息和载体在空间的转动角速度信息通过信息解算控制电路5求得载体的空间角度信息、利用高精度时间信息和载体在空间的线加速度信息通过信息解算控制电路5求得载体的空间位移信息，最终根据载体的空间角度信息、载体的空间位移信息通过相关的算法获取载体的位置信息，进而达到定位和导航的目的，以及提高了整个系统的集成度。
可选的，所述多路高速开关模块1包括：
多路高速开关模块10，在所述多路高速开关模块10上连接有受所述多路高速开关模块10控制的陀螺驱动模态幅值检测通道开关11、陀螺检测模态幅值检测通道开关12、陀螺驱动力控制通道开关13、陀螺正交校正控制通道开关14、陀螺检测力反馈控制通道开关15、陀螺模态调谐控制通道开关16、加速度计工作模态幅值检测通道开关17、加速度计驱动力控制通道开关18、加速度计检测力反馈控制通道开关19。
在实施中，如图2所示，所述多路高速开关模块1包括多路高速开关模块10、陀螺驱动模态幅值检测通道开关11、陀螺检测模态幅值检测通道开关12、加速度计工作模态幅值检测通道开关17、陀螺驱动力控制通道开关13、陀螺正交校正控制通道开关14、陀螺检测力反馈控制通道开关15等，其中，多路高速开关模块10用于接收信息解算控制电路5产生的SCS信号，其余开关都是用于给三轴向的微机电陀螺仪和微机电加速度计发送控制信号。
在某一时刻多路高速开关模块1中，多路高速开关模块1收到信息解算控制电路5产生的SCS信号后，并向任一轴向的微机电陀螺仪和微机电机速度计发送控制信号，使得任一轴向的微机电陀螺仪所有检测和控制引脚均连接至相对应轴向的微机电陀螺仪测控集成电路上，其他输入输出信号悬空，从而该轴向的微机电陀螺仪可以正常工作，此时该轴向的微机电陀螺仪测控集成电路输出信号为该轴向的微机电陀螺仪的检测信号。
同时，与微机电陀螺仪同轴向的微机电加速度计所有检测和控制引脚均连接至相对应轴向的微机电加速度计测控集成电路上，其他输入输出信号悬空，从而该轴向的微机电加速度计可以正常工作，此时该轴向的微机电加速度计测控集成电路输出信号为该轴向的微机电加速度计的检测信号。
可选的，所述三轴向的微机电陀螺仪包括至少三个分别用于检测载体坐标系X、Y、Z三个方向的转动角速度信息的微机电陀螺仪，每个微机电陀螺仪所处轴线在空间范围内两两正交。
在实施中，三轴向的微机电陀螺仪包括至少三个分别为X轴微机电陀螺仪、Y轴微机电陀螺仪、Z轴微机电陀螺仪，每个微机电陀螺仪所处轴线在空间范围内两两正交，以X轴微机电陀螺仪为例，通过X轴微机电陀螺仪获得载体在空间的转动角速度信息，并经X轴微机电陀螺仪测控集成电路将其传输至信息解算控制电路5中。
可选的，所述三轴向的微机电加速度计包括至少三个分别用于检测载体坐标系X、Y、Z三个方向的线加速度信息的微机电加速度计，每个微机电加速度计所处轴线在空间范围内两两正交。
在实施中，三轴向的微机电加速度计包括至少三个分别为X轴微机电加速度计、Y轴微机电加速度计、Z轴微机电加速度计，每个微机电加速度计所处轴线在空间范围内两两正交，以X轴微机电加速度计为例，通过X轴微机电加速度计获得载体在空间的线加速度信息，并经X轴微机电加速度计测控集成电路将其传输至信息解算控制电路5中。
可选的，当所述三轴向的微机电陀螺仪处于正常工作状态时，所述三轴向的微机电陀螺仪测控集成电路2包括驱动回路和检测回路；
其中，所述驱动回路包括第一检测接口、第一放大器、PLL锁相环电路、信号幅度提取电路、驱动控制器、第一调制器、第一直流和交流叠加电路；
所述检测回路包括第二检测接口、第二放大器、相敏解调器、第一低通滤波器。
在实施中，三轴向的微机电陀螺仪处于正常工作状态时，三轴向的微机电陀螺仪测控集成电路2包括驱动回路和检测回路。结合图2和图3，陀螺驱动模态幅值检测通道开关11的陀螺驱动模态幅值检测输出端、陀螺检测模态幅值检测通道开关12的陀螺检测模态幅值检测输出端、陀螺驱动力控制通道开关13的陀螺驱动力控制输入端、陀螺正交校正控制通道开关14的陀螺正交校正控制输入端、陀螺检测力反馈控制通道开关15的陀螺检测力反馈控制输入端以及陀螺模态调谐控制通道开关16的陀螺模态调谐控制输入端连接有三轴向的微机电陀螺仪测控集成电路2。
本实施例中以X轴微机电陀螺仪为例，当X轴微机电陀螺仪中驱动模态幅值检测输出信号经陀螺驱动模态幅值检测通道开关11传输至X轴微机电陀螺仪测控集成电路，经过驱动回路处理后，驱动力控制信号经陀螺驱动力控制通道开关13传输至X轴微机电陀螺仪驱动部分，从而使得X轴微机电陀螺仪驱动部分处于恒幅的谐振状态。
其中，驱动回路包括第一检测接口、第一放大器、PLL锁相环电路、信号幅度提取电路、驱动控制器、第一调制器、第一直流和交流叠加电路。
同时，X轴微机电陀螺仪中检测模态幅值检测输出信号经陀螺检测模态幅值检测通道开关12传输至X轴微机电陀螺仪测控集成电路，经过检测回路将其输出。
其中，检测回路包括第二检测接口、第二放大器、相敏解调器、第一低通滤波器。
此外，Y轴微机电陀螺仪、Z轴微机电陀螺仪与上述的X轴微机电陀螺仪原理相同，此处不再赘述。
可选的，当所述检测回路处于正交校正和检测闭环工作状态时，所述三轴向的微机电陀螺仪测控集成电路2还包括检测控制器、第二低通滤波器、第二调制器、第二直流和交流叠加电路。
在实施中，续上文说明，当检测回路处于正交校正和检测闭环工作状态时，X轴微机电陀螺仪测控集成电路还包括检测控制器、第二低通滤波器、第二调制器、第二直流和交流叠加电路。X轴微机电陀螺仪测控集成电路中正交校正反馈控制信号、检测力反馈控制信号以及模态调谐控制信号分别经陀螺正交校正控制通道开关14、陀螺检测力反馈控制通道开关15以及陀螺模态调谐控制通道开关16传输至X轴微机电陀螺仪中。
可选的，当所述三轴向的微机电加速度计处于谐振工作状态时，所述三轴向的微机电加速度计测控集成电路3包括驱动回路和测频电路。
在实施中，当三轴向的微机电加速度计处于谐振工作状态时，三轴向的微机电加速度计测控集成电路3包括驱动回路和测频电路。结合图2和图4，加速度计工作模态幅值检测通道开关17的加速度计工作模态幅值检测输出端、加速度计驱动力控制通道开关18的加速度计驱动力控制输入端以及加速度计检测力反馈控制通道开关19的加速度计检测力反馈控制输入端连接有三轴向的微机电加速度计测控集成电路3。
本实施例以X轴微机电加速度计为例，X轴微机电加速度计工作模态幅值检测输出信号经加速度计工作模态幅值检测通道开关17传输至X轴微机电加速度计测控集成电路，继而经过驱动回路处理后，驱动力控制信号经加速度计驱动力控制通道开关18传输至X轴微机电加速度计驱动部分，从而使得X轴微机电加速度计驱动部分处于恒幅的谐振状态。
其中，驱动回路上文已做说明，此处不再赘述。
同时，测频电路可以稳定、准确的测量出X轴微机电加速度计驱动模态的谐振频率，该谐振频率与X轴微机电加速度计所受加速度值有关，该频率值作为X轴微机电加速度计输出值。
此外，Y轴微机电加速度计、Z轴微机电加速度计与X轴微机电加速度计结构相同，此处不再赘述。
可选的，当所述三轴向的微机电加速度计处于摆式工作方式时，所述三轴向的微机电加速度计测控集成电路3包括第三放大器、第三低通滤波器。
在实施中，以X轴微机电加速度计为例，当X轴微机电加速度计处于摆式工作方式时，X轴微机电加速度计工作模态幅值检测信号经加速度计工作模态幅值检测通道开关17传输至X轴微机电加速度计测控集成电路，并将其依次通过第三放大器、第三低通滤波器输出。当X轴微机电加速度计处于闭环回路时，检测力反馈控制信号经加速度计检测力反馈控制通道开关19传输至X轴微机电加速度计中。
此处，Y轴微机电加速度计、Z轴微机电加速度计与X轴微机电加速度计结构相同，此处不再赘述。
可选的，所述微时钟调理集成电路4包括微时钟物理系统接口电路、分频器、鉴相器、第四低通滤波器、压控振荡器。
在实施中，如图1所示，微时钟将获取到高精度时间信息传输至微时钟调理集成电路4，依次经过微时钟物理系统接口电路、分频器、鉴相器、第四低通滤波器、压控振荡器并将其输出。此外，微时钟调理集成电路4还可以采用Σ-△调制器，但是芯片原子钟取代微时钟，通过Σ-△调制器锁定芯片原子钟的频率，并将其输出。
可选的，所述信息解算控制电路5包括卡尔曼滤波电路、积分电路、惯性导航计算电路。
在实施中，如图5所示，信息解算控制电路5将分时得到的陀螺输出信号、加速度计输出信号以及微时钟输出信号进行调理和解算，通过卡尔曼滤波电路、积分电路、惯性导航计算电路最终输出信号，该信号满足用户需求的相关信息，进而获取载体的位置信息以达到定位和导航的目的。
需要指出的是，满足用户需求的相关信息指的是三轴位移、三轴速度、三轴加速度、三轴角速度、三轴角度、高精度时间等，另外，输出信号并不只限制于上述几种。同时，信息解算控制电路5产生SCS信号，决定对每个器件采样的时间和时长，以便解算时使用。
本发明提供了适用于单片微型定位导航授时系统的分时复用集成电路，包括至少三轴向的微机电陀螺仪、三轴向的微机电加速度计、微时钟以及多路高速开关模块。通过多路高速开关模块根据接收到信息解算控制电路产生的SCS信号，继而高速切换不同轴的微机电陀螺仪和微机电加速度计，使得不同轴的微机电陀螺仪和微机电加速度计与后面的测控集成电路对接，从而使得一套微机电陀螺仪测控集成电路在不同时刻为三轴向的微机电陀螺仪服务，同时，使得一套微机电加速度计测控集成电路在不同时刻为三轴向的微机电加速度计服务，从而在不影响其检测的情况下不仅体积小、功耗低，还降低了成本，提高了整个系统的集成度。
上述实施例中的各个序号仅仅为了描述，不代表各部件的组装或使用过程中的先后顺序。
以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.适用于单片微型定位导航授时系统的分时复用集成电路，包括至少三轴向的微机电陀螺仪、三轴向的微机电加速度计和微时钟，其特征在于，
所述三轴向的微机电陀螺仪经多路高速开关模块连接有三轴向的微机电陀螺仪测控集成电路，所述三轴向的微机电陀螺仪测控集成电路的输出端连接信息解算控制电路；
所述三轴向的微机电加速度计经所述多路高速开关模块连接有三轴向的微机电加速度计测控集成电路，所述三轴向的微机电加速度计测控集成电路的输出端连接所述信息解算控制电路；
所述微时钟连接有微时钟调理集成电路，所述微时钟调理集成电路的输出端连接所述信息解算控制电路。
2.根据权利要求1所述的适用于单片微型定位导航授时系统的分时复用集成电路，其特征在于，所述多路高速开关模块包括：
多路高速开关控制模块，在所述多路高速开关控制模块上连接有受所述多路高速开关控制模块控制的陀螺驱动模态幅值检测通道开关、陀螺检测模态幅值检测通道开关、加速度计工作模态幅值检测通道开关、陀螺驱动力控制通道开关、陀螺正交校正控制通道开关、陀螺检测力反馈控制通道开关、陀螺模态调谐控制通道开关、加速度计驱动力控制通道开关、加速度计检测力反馈控制通道开关。
3.根据权利要求1所述的适用于单片微型定位导航授时系统的分时复用集成电路，其特征在于，所述三轴向的微机电陀螺仪包括至少三个分别用于检测载体坐标系X、Y、Z三个方向的转动角速度信息的微机电陀螺仪，每个微机电陀螺仪所处轴线在空间范围内两两正交。
4.根据权利要求1所述的适用于单片微型定位导航授时系统的分时复用集成电路，其特征在于，所述三轴向的微机电加速度计包括至少三个分别用于检测载体坐标系X、Y、Z三个方向的线加速度信息的微机电加速度计，每个微机电加速度计所处轴线在空间范围内两两正交。
5.根据权利要求1所述的适用于单片微型定位导航授时系统的分时复用集成电路，其特征在于，
当所述三轴向的微机电陀螺仪处于正常工作状态时，所述三轴向的微机电陀螺仪测控集成电路包括驱动回路和检测回路；
其中，所述驱动回路包括第一检测接口、第一放大器、PLL锁相环电路、信号幅度提取电路、驱动控制器、第一调制器、第一直流和交流叠加电路；
所述检测回路包括第二检测接口、第二放大器、相敏解调器、第一低通滤波器。
6.根据权利要求5所述的适用于单片微型定位导航授时系统的分时复用集成电路，其特征在于，
当所述检测回路处于正交校正和检测闭环工作状态时，所述三轴向的微机电陀螺仪测控集成电路还包括检测控制器、第二低通滤波器、第二调制器、第二直流和交流叠加电路。
7.根据权利要求1所述的适用于单片微型定位导航授时系统的分时复用集成电路，其特征在于，
当所述三轴向的微机电加速度计处于谐振工作状态时，所述三轴向的微机电加速度计测控集成电路还包括驱动回路和测频电路。
8.根据权利要求1所述的适用于单片微型定位导航授时系统的分时复用集成电路，其特征在于，
当所述三轴向的微机电加速度计处于摆式工作方式时，所述三轴向的微机电加速度计测控集成电路包括第三放大器、第三低通滤波器。
9.根据权利要求1所述的适用于单片微型定位导航授时系统的分时复用集成电路，其特征在于，所述微时钟调理集成电路包括微时钟物理系统接口电路、分频器、鉴相器、第四低通滤波器、压控振荡器。
10.根据权利要求1所述的适用于单片微型定位导航授时系统的分时复用集成电路，其特征在于，所述信息解算控制电路包括卡尔曼滤波电路、积分电路、惯性导航计算电路。
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