CN115560752B - 微机电惯性导航系统用小型一体化电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微机电惯性导航系统用小型一体化电路，其特征在于，所述电路包括：三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计、ARM处理器(8)、磁强计(7)、高度计、数字电路板(4)、刚性印制板和接口电路板(5)。所述刚性印制板采用三个小的刚性印制板，所述三轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计的一轴陀螺仪与一轴加速度计分别对贴安装于三个所述刚性印制板上，三个所述刚性印制板及接口电路板(5)均通过挠性线(9)与所述数字电路板(4)连接。本发明实现小型一体化电路设计，满足微机电惯性导航系统的微小体积和低功耗的需求。
Description
技术领域
本发明属于惯性测量和惯性导航系统领域，具体涉及一种微机电惯性导航系统用小型一体化电路设计方法。
背景技术
随着惯性技术的发展，对惯性导航系统的功耗和体积提出了越来越高的要求。传统的惯性导航系统设计中三轴光纤(或激光)陀螺仪、三轴加速度计(挠性或振梁表)等惯性仪表需要三维立体各自独立安装，信息采集电路板体积较大、功耗高，所采用的处理器内部接口单一、外部供电电源种类多，外围电路复杂，需要外扩FLASH、SDRAM等存储器，需要FPGA芯片辅助实现接口逻辑、智能通讯等，系统体积、重量和功耗高。
发明内容
本发明针对现有惯性导航系统体积较大、功耗高的问题，提供一种微机电惯性导航系统用小型一体化电路，满足微机电惯性导航系统的微小体积和低功耗的需求。
为解决上述技术问题，本发明提供的微机电惯性导航系统用小型一体化电路采取技术方案如下：
所述电路包括：三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计、ARM处理器、磁强计、高度计、数字电路板、刚性印制板和接口电路板。所述刚性印制板采用三个小的刚性印制板，所述三轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计的一轴陀螺仪与一轴加速度计分别对贴安装于三个所述刚性印制板上，三个所述刚性印制板及接口电路板均通过挠性线与所述数字电路板连接。所述磁强计、高度计为微小型，与所述ARM处理器均集成在所述数字电路板上。
进一步的，基于所述ARM处理器同一个SPI接口能在多个GPIO管脚上设置，将所述三轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计的每轴陀螺仪与每轴加速度计分别复用三个SPI接口，所述磁强计和高度计复用一个SPI接口，剩余接口为对外接口。
进一步的，所述三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计复用的三个SPI接口，及所述磁强计和高度计复用的一个SPI接口采用并行数据采集方式，在线上发送某一SPI接口串行数据时，不等待该接口数据发送完成，而是依次将其它三个SPI接口的第一条握手指令分别启动发送后，再去判断该SPI接口数据是否发送完成，依次判断其它三个接口数据是否发送完成，利用线上的串行发送时间实现了ARM处理器的四个SPI接口的并行指令发送。
进一步的，所述接口电路板支持SPI接口、RS422/RS232通讯接口，分为RS422接口方式、RS422/RS232接口方式、RS422/SPI接口方式。
本发明与现有技术对比，有益效果如下：
对微小型惯性导航系统，本发明提供了一种一体化电路的设计方法，采用三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计、微小型磁强计和微小型高度计等多型传感器，处理器采用低功耗小体积的ARM处理器，实现小型一体化电路设计，满足微机电惯性导航系统的微小体积和低功耗的需求。对多型传感器实现高速并行数据采集，同时需要兼顾处理器外围电路简单、内部接口资源丰富、体积小功耗低等需求。将多型传感器与信息处理等集成在一块电路上，通过电路板刚挠结合设计实现三维立体安装，降低了元器件的使用数量，提高了系统的可靠性。具备多种形式的通讯接口，可根据用户需求灵活配置。与传统的惯性导航系统设计相比，大大减少了系统的体积、功耗，并具备多种形式的通讯接口，可根据用户需求灵活配置。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。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示出了根据本发明的具体实施例提供的微机电惯性导航系统一体化电路挠性集成外形示意图；
图2示出了根据本发明的具体实施例提供的微机电惯性导航系统一体化电路的功能框图；
图3示出了根据本发明的具体实施例提供的的多型传感器并行数据采集功能框图；
图4示出了根据本发明的具体实施例提供的对外可配置通讯接口框图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1示出了根据本发明的具体实施例提供的微机电惯性导航系统一体化电路挠性集成外形示意图，所述微机电惯性导航系统用小型一体化电路包括：三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计、ARM处理器8、磁强计7、高度计、数字电路板4、刚性印制板和接口电路板5。
由于惯性导航系统的体积要求，一体化电路外形尺寸及器件布局需要做到最小化，为满足小体积需求，所述刚性印制板采用三个小的刚性印制板，即第一刚性印制板1、第二刚性印制板2和第三刚性印制板3。
所述三轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计分别对贴安装于所述第一刚性印制板1、第二刚性印制板2和第三刚性印制板3上。在一示例中，X轴MEMS加速度计与Z轴MEMS陀螺仪对贴安装于第一刚性印制板1上，Y轴MEMS加速度计与X轴MEMS陀螺仪对贴安装于第二刚性印制板2上，Z轴MEMS加速度计与Y轴MEMS陀螺仪对贴安装于第三刚性印制板3上，上述安装由焊接工艺保证。所述第一刚性印制板1、第二刚性印制板2、第三刚性印制板3及接口电路板5均通过挠性线9与所述数字电路板4连接。每个刚性印制板上的一轴陀螺与一轴加速度计共用电源和数字地，在刚性印制板的PCB设计上整版铺地和电源，保证电源和地的电气设计满足传感器的要求。所述数字电路板4可为若干块并通过挠性线9连接。所述磁强计7、高度计为微小型，与所述ARM处理器均集成在所述数字电路板上。在与结构件集成时，微机电惯性导航系统一体化电路进行灵活弯折，通过螺钉进行安装，保证陀螺和加速度计的三轴正交性。
所述ARM处理器为微机电惯性导航系统的核心器件，低功耗、小体积，外围电路简单，内部资源丰富，接口种类多，具备高速浮点导航解算，内嵌自适应加速FLASH和SRAM，具备CACHE缓存功能实现对数据和代码缓存，解决惯性导航系统对数据实时采集和实时导航解算的要求，采用高速数据采集满足惯性导航系统的精度要求。所述ARM处理器接口具备六路SPI接口，利用ARM处理器同一个SPI接口能在多个GPIO管脚上设置，在设计上巧妙实现SPI接口复用，节省资源。在示一例中，如图2所示，将所述三轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计复用三个SPI接口，即SPI1、SPI2、SPI4三个接口，所述磁强计7和高度计复用SPI5接口，对外接口采用SPI3接口，充分利用ARM处理器的接口资源，合理配置，保证高效运行。
SPI接口采用主从模式，ARM处理器工作在主模式，传感器工作在从模式，采用CS片选控制数据流输出。根据SPI接口特点，SPI接口为串行数据输入输出。为提高导航精度，提高采样周期，减少占用处理器时间，如图3所示，SPI1、SPI2、SPI4、SPI5接口采用并行数据采集方式，如先发送SPI1接口串行指令，在线上发送串行数据时，不等待该接口发送完成，而是依次将其它三个SPI接口的第一条握手指令分别启动发送后，再去判断SPI1接口是否发送完成，依次判断其它三个接口是否发送完成，利用线上的串行发送时间实现了ARM处理器的四个SPI接口的并行指令发送，这样实际占用时间为一个SPI接口的串行时间t，为导航解算留出时间。在这种并行采集方式下，三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计、磁强计、高度计数据采集时间为t×2个SPI接口的串行时间，缩短了传感器的采集时间，可以实现高采样周期，提高导航精度。如图3所示如果采用传统的串行数据采集则需要t×8个SPI接口的串行时间。
如图4所示，所述接口电路板5支持SPI接口、RS422/RS232通讯接口，具备TTL电平接口的输入输出信号。由于系统体积小，因此采用的对外连接器点号少(15点)，对多接口采用选择方式，在硬件状态一致的情况下，可根据用户需求选择设置相应的接口。对SPI接口，系统工作在从模式下，支持四线制SPI接口。接口点定义如表1所示，分为RS422接口方式、RS422/RS232接口方式、RS422/SPI接口方式等。同时具备TTL电平的选通输入输出信号，供用户选择同步数据的方式。配置接口多样灵活，满足用户的不同使用需求。传统的惯性导航系统设计通常都是单一的对外通讯接口，本发明的可灵活配置的多接口通讯方式，满足了用户的多样化需求。
表1连接器点定义
| 序号 | RS422接口点定义 | RS422/RS232接口点定义 | RS422/SPI接口点定义 |
| 1 | RS422发送- | RS422发送- | RS422发送- |
| 2 | RS422接收- | RS422接收- | RS422接收- |
| 3 | 3.3V | 3.3V | 3.3V |
| 4 | — | RS232发送/IO_OUT | |
| 5 | RS422_GND | RS422_GND | RS422_GND |
| 6 | CS | ||
| 7 | — | — | MISO |
| 8 | 5V电源 | 5V电源 | 5V电源 |
| 9 | RS422发送+ | RS422发送+ | RS422发送+ |
| 10 | RS422接收+ | RS422接收+ | RS422接收+ |
| 11 | CLK | ||
| 12 | SWDIO | SWDIO | SWDIO |
| 13 | RS232接收/IO_IN | MOSI | |
| 14 | SWCLK | SWCLK | SWCLK |
| 15 | GND | GND | GND |
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (1)
1.一种微机电惯性导航系统用小型一体化电路，其特征在于，所述电路包括：三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计、ARM处理器(8)、磁强计(7)、高度计、数字电路板(4)、刚性印制板和接口电路板(5)，
所述刚性印制板采用三个小的刚性印制板，所述三轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计的一轴陀螺仪与一轴加速度计分别对贴安装于三个所述刚性印制板上，三个所述刚性印制板及接口电路板(5)均通过挠性线(9)与所述数字电路板(4)连接，
所述磁强计(7)、高度计为微小型，与所述ARM处理器(8)均集成在所述数字电路板上；
基于所述ARM处理器(8)同一个SPI接口能在多个GPIO管脚上设置，将所述三轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计的每轴陀螺仪与每轴加速度计分别复用三个SPI接口，所述磁强计(7)和高度计复用一个SPI接口，剩余接口为对外接口，
所述三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计复用的三个SPI接口，及所述磁强计(7)和高度计复用的一个SPI接口采用并行数据采集方式，在线上发送某一SPI接口串行数据时，不等待该接口数据发送完成，而是依次将其它三个SPI接口的第一条握手指令分别启动发送后，再去判断该SPI接口数据是否发送完成，依次判断其它三个接口数据是否发送完成，利用线上的串行发送时间实现了ARM处理器的四个SPI接口的并行指令发送，
所述接口电路板(5)支持SPI接口、RS422/RS232通讯接口，分为RS422接口方式、RS422/RS232接口方式、RS422/SPI接口方式。
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