CN201488737U - 一种用于惯性测量单元的数据采集系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于惯性测量单元的数据采集系统，包括RC低通滤波器、A/D采集板、FPGA芯片、DSP处理器和GPS接收机，RC低通滤波器接陀螺、加速度计和温度传感器用于对由角速度、加速度和温度组成的多路模拟信号进行低通滤波，A/D采集板对滤波处理后的模拟信号进行采集转换成多路数字信号，FPGA芯片对多路数字信号进行同步、时序控制处理，DSP处理器将FPGA处理后的多路数字信号进行相关解算和处理形成最终的测量数据，DSP处理器同时对A/D采集板进行初始化和控制，GPS接收机接收GPS的时钟脉冲信息用于对DSP处理器进行授时和FPGA的同步处理。本实用新型减小了惯性测量单元的体积，具有较高的测试精度和较宽的动态范围。

Description

一种用于惯性测量单元的数据采集系统
技术领域
本实用新型涉及一种用于惯性测量单元的数据采集系统，主要用于惯性导航系统。
背景技术
目前，国内大多数惯性测量单元的内部电路板，包括温度控制板、V/F转换板、陀螺伺服板等，主要采用分立元件构成模拟电路，这种类型的模拟电路一般体积都比较大、精度比较低、动态范围窄，已经不能满足惯性测量单元小型化、高精度、动态范围大的要求。通过检索发现，关于惯性测量单元中信号处理相关专利中目前广泛使用的都是V/F变换电路。以目前广泛使用的V/F变换电路为例，在一个全姿态(3个角速度敏感轴)惯性测量单元内，需要6块V/F变换器电路，主控计算机为了得到姿态阵在一个数据输出周期内的增量，必须为这6块V/F变换器电路设置12路计数器，由于印制板较多，所以通常这6块V/F变换器电路及其辅助电路被单独装在一个箱体内，构成电子箱，常常仅此一项所占用的体积和重量就超过了惯性测量单元的设计要求。
实用新型内容
本实用新型的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种用于惯性测量单元的数据采集系统，本实用新型体积小、精度高、动态范围宽。
本实用新型的技术解决方案是：一种用于惯性测量单元的数据采集系统，包括RC低通滤波器、A/D采集板、FPGA芯片、DSP处理器和GPS接收机，RC低通滤波器接陀螺、加速度计和温度传感器用于对由角速度、加速度和温度组成的多路模拟信号进行低通滤波，A/D采集板接RC低通滤波器用于将经过低通滤波后的多路模拟信号转换成多路数字信号，FPGA芯片连接A/D采集板用于对多路数字信号进行同步处理和时序控制，DSP处理器连接FPGA芯片用于将FPGA芯片处理后的多路数字信号解算成最终的测量数据，DSP处理器连接A/D采集板用于对A/D采集板进行初始化和采集控制，DSP处理器连接GPS接收机，通过利用GPS接收机接收的GPS时钟脉冲信息对DSP处理器进行授时处理和FPGA芯片的同步处理。
A/D采集卡为24位A/D转换芯片，其采样频率设置大于等于600Hz。DSP处理器采用TMS320C6713B型处理器。
本实用新型与现有技术相比的优点在于：本实用新型采用高精度A/D采集卡为数据采集核心器件，借助FPGA芯片完成信号采集的同步、缓存等处理及相关时序控制，同时还以串行通讯的方式与DSP处理器进行通讯，DSP处理器完成对A/D采集板的初始化和控制，同时还对输入的各类数字信号进行相关解算和处理，并根据实际需要完成对相关外设的控制功能，本实用新型与现有的模拟电路相比减小了惯性测量单元的体积，具有较高的测试精度和较宽的动态范围。
附图说明
图1为本实用新型采集系统构成框图；
图2为利用本实用新型A/D采集板与V/F变换电路对X轴光纤陀螺信号采集结果比较图，；
图3为利用本实用新型A/D采集板与V/F变换电路对Y轴光纤陀螺信号采集结果比较图；
图4为利用本实用新型A/D采集板与V/F变换电路对Z轴光纤陀螺信号采集结果比较图；
图5为利用本实用新型A/D采集板与V/F变换电路对X轴加速度计信号采集结果比较图；
图6为利用本实用新型A/D采集板与V/F变换电路对Y轴加速度计信号采集结果比较图；
图7为利用本实用新型A/D采集板与V/F变换电路对Z轴加速度计信号采集结果比较图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述：
如图1所示，本实用新型主要包括一块多通道的24位高精度A/D采集板、一块FPGA芯片、一块高性能DSP处理器和GPS接收机，均由二次电源供电，其中以DSP处理器为中央处理器，DSP处理器为美国德州仪器的TMS320C6713B处理器。三路陀螺、三路加速度计和一路温度模拟信号分别经简单的RC低通滤波后，进入A/D采集卡内进行输入缓冲、增益放大、A/D转换及数字滤波处理，A/D采集卡中的可编程增益放大器、可编程数字滤波器等均可通过DSP处理器对其编程控制，设置相关的参数；A/D采集板输出数字信号进入FPGA芯片，FPGA芯片对输入的多路高精度数字信号进行处理、同步、时序控制及临时性存储，并与中央处理器(DSP处理器)完成串行通信；DSP处理器完成对A/D采集板的初始化和控制，同时还对输入的各类数字信号进行相关解算和处理，并根据实际需要完成对相关外设的控制功能。GPS接收机接收包括时间、位置、速度等信息在内的卫星信号，利用GPS的时间信息完成对本数据采集系统的授时，实现本测量系统的时间系统与GPS卫星导航系统的高度时间同步。
本实用新型实现数据采集、处理的基本方法是：首先，DSP处理器对系统进行初始化，也包括对A/D采集卡各相关控制寄存器进行初始化设置，待需要进行数据采集时，发出控制信号；FPGA利用GPS接收机输出的时间同步脉冲信息(秒脉冲)，结合DSP处理器发出的相关控制信号完成对多通道A/D采样转换的时序控制及同步处理，在FPGA内通过FIFO(其深度可根据需要很方便地配置成2n字节)将采样转换结束后的数字信号暂存，待DSP读取；DSP处理器读取这些数据后，将采集到的这些惯性器件信息与GPS接收机传来的位置、速度等信息进行数据融合处理，以供飞控程序使用。
采样频率越高，离散信号越接近原连续信号，离散化引起的信息损失越小，但是成本或精度损失越高；采样频率过低，虽然经济，但系统性能有时不能满足要求。在本设计中与系统动态性能密切相关的采样频率为高精度A/D的采样频率。根据惯性测量单元的频带宽度对高精度A/D采集板采样频率进行选择，根据香农采样定理，要使输入信号通过采样后能无失真的复现，必须满足采样频率高于信号最高频率的2倍，实际使用时为6～10倍。但对计算机控制系统来说，直接应用这个定理并不容易。一是定理虽然给出重构信号的条件，但没有保证重构可以实时完成；二是在闭环控制系统，信号所含频率分量极难确定。在工程实际中若知道系统频带，则以低通转折频率为系统最高频率。一般要求陀螺通频带不大于100Hz，所以，高精度A/D采样频率选在600Hz以上即可，本设计选用了1000Hz的采样频率。同样的，用该采样频率对加速度信号和温度信号进行采样也完全满足实际工程应用所需。
传统V/F变换电路的动态测量范围由其填充频率决定，填充频率过高，会使电路工作不稳定。一般情况下填充频率小于128kHz，在1s采样时间内，其精度相当于1bit～18bit的A/D转换器。实现惯性测量单元动态测量的瓶颈在于陀螺系统的大动态测量，因此以下讨论均针对陀螺而言，对于一般的A/D芯片，当输入为0时，其输出并不为0，通常存在±7LSB的测量绝对误差(随机误差)，这是由芯片工作原理和制造工艺造成的。根据目前许多型号的大动态要求，假设陀螺系统最大敏感角速率为±360°/s，当输入地速时A/D输出至少为20LSB，则A/D转换器表示出的最大数应为3456000 LSB(＝[地球自转角速度/(2×360°/s)]×20LSB)，则我们选24位的A/D转换器，则最小分辨为4.29×10-5°/s。若最大敏感角速率指标降低，则因A/D转换器产生的绝对误差也会降低。
为了提高电路集成度和信号采集的精度，本设计选用集输入缓冲器、可编程增益放大器、A/D转换器、可编程数字滤波器、时钟发生器、控制器和串行SPI接口于一体的24位高精度A/D转换芯片。在数字控制和数据采集系统中，在进行A/D转换之前一般会进行输入缓冲和增益放大处理，在A/D转换之后一般会进行数字滤波，以滤除模拟滤波器未能滤除的高频分量和因A/D转换引起的高频信号。通过对惯性器件的原始信号分析可知，存在高频噪声。为了消除高频信号的干扰，首先对模拟信号进行简单的RC低通滤波，模拟信号进入A/D采集卡后通过输入缓冲、增益放大、A/D转换后，再由FIR滤波器进行数字滤波，从而输出高精度数字信号，该数字信号进入FPGA芯片进行后续处理。
通过试验分析和验证，本实用新型在采样精度方面较传统的V/F变换有了明显的提高，如图2至图7所示。图2、图3、图4中，曲线21是采用传统V/F变换在三维空间(分别为X、Y、Z三个轴向)对某种光纤陀螺静态输出信号的采集图，曲线22是经本实用新型A/D转换后得到的与之对应的陀螺静态输出信号，曲线22相比曲线21陀螺静态输出信号噪声明显减少；同样的，图5、图6、图7中曲线31为采用传统V/F变换在三维空间(分别为X、Y、Z三个轴向)对某种加速度计静态输出信号的采集图，曲线32是经本实用新型A/D转换后得到的与之对应的加速度计静态输出信号，曲线32相比曲线31加速度计静态输出信号噪声明显减少。
本实用新型未详细说明内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (3)

1.一种用于惯性测量单元的数据采集系统，其特征在于：包括RC低通滤波器、A/D采集板、FPGA芯片、DSP处理器和GPS接收机，RC低通滤波器接陀螺、加速度计和温度传感器用于对由角速度、加速度和温度组成的多路模拟信号进行低通滤波，A/D采集板接RC低通滤波器用于将经过低通滤波后的多路模拟信号转换成多路数字信号，FPGA芯片连接A/D采集板用于对多路数字信号进行同步处理和时序控制，DSP处理器连接FPGA芯片用于将FPGA芯片处理后的多路数字信号解算成最终的测量数据，DSP处理器连接A/D采集板用于对A/D采集板进行初始化和采集控制，DSP处理器连接GPS接收机，通过利用GPS接收机接收的GPS时钟脉冲信息对DSP处理器进行授时处理和FPGA芯片的同步处理。
2.根据权利要求1所述的一种用于惯性测量单元的数据采集系统，其特征在于：所述的A/D采集卡为24位A/D转换芯片。
3.根据权利要求1所述的一种用于惯性测量单元的数据采集系统，其特征在于：所述的DSP处理器采用TMS320C6713B型处理器。
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