CN208673112U - 一种姿态传感器控制模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种姿态传感器控制模块，包括电源模块、模拟信号预处理模块、AD转换模块、微处理器、输出接口模块、加速度传感器和温度采集模块，所述电源模块为各模块提供工作电压；其特征在于：温度采集模块用于分别采集加速度计的温度信号，并转换成电压信号后输出到模拟信号预处理模块；模拟信号预处理模块接收加速度传感器和温度采集模块输出的信号，进行预处理后输出到AD转换模块；AD转换模块对收到的信号进行AD转换，输出到微处理器；微处理器对收到的信号进行信号滤波、温度补偿、交叉耦合补偿及误差修正处理，将处理后的信号通过输出接口模块发送到上位机；本实用新型可广泛应用于各类姿态传感器中。
Description
技术领域
本实用新型涉及姿态传感器，具体涉及一种姿态传感器控制模块。
背景技术
姿态传感器是基于MEMS技术的高性能三维运动姿态测量系统。它包含三轴陀螺仪、三轴加速度计，三轴电子罗盘等运动传感器，通过内嵌的低功耗ARM处理器得到经过温度补偿的三维姿态与方位等数据。姿态传感器可广泛嵌入到航模无人机，机器人，机械云台，车辆船舶，地面及水下设备，虚拟现实，人体运动分析等需要自主测量三维姿态与方位的产品设备中。但是，现有的姿态传感器控制模块普遍存在控制精度低，温度漂移大，不能在线检测传感器的好坏，不能直接将数字信号传输到上位机等缺陷。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种姿态传感器控制模块。
为了解决上述技术问题，根据本实用新型的技术方案，一种姿态传感器控制模块，包括电源模块、模拟信号预处理模块、AD转换模块、微处理器、输出接口模块、加速度传感器、温度采集模块和测试接口模块，所述电源模块为各模块提供工作电压。
其特征在于：
加速度传感器用于采集X轴和Y轴的重力加速度信号，并转换成电压信号后输出到模拟信号预处理模块；所述加速度传感器包括X轴加速度计和Y轴加速度计。
温度采集模块用于分别采集X轴加速度计和Y轴加速度计的温度信号，并转换成电压信号后输出到模拟信号预处理模块。
模拟信号预处理模块接收加速度传感器和温度采集模块输出的信号，进行预处理后输出到AD转换模块。
AD转换模块对收到的信号进行AD转换，输出到微处理器。
微处理器对收到的信号进行处理后，将处理后的信号通过输出接口模块发送到上位机。
输出接口模块包括串口芯片，用于提供串口通讯。
测试接口模块用于接收外部测试信号，将测试信号经前置放大、解调、二阶滤波、陷波、微积分补偿处理和功率放大后，施加到加速度计的力矩器，并将力矩器低端电流信号转换为电压信号，经线性比例放大，输出与测试信号成比例的直流电压信号到上位机。
本实用新型利用温度采集模块检测加速度计的温度，利用微处理器对收到的数据进行信号滤波、温度补偿、交叉耦合补偿及误差修正等处理，保证了控制精度高、温度漂移小、温度特性好，通过设置输出接口模块，实现了与上位机直接进行数字通讯；通过设置测试接口模块，能够在线检测加速度计的品质参数。
根据本实用新型所述的一种姿态传感器控制模块的优选方案，该系统还包括测试接口模块，所述测试接口模块包括前置放大器、解调电路、二阶滤波器、陷波器、微积分补偿电路、功率放大器、电流取样电路和信号放大电路。
前置放大器接收测试信号，对测试信号进行放大后输出到解调电路。
解调电路对信号进行调理解调后送入二阶滤波器。
二阶滤波器对信号进行滤波处理后输出到陷波器。
陷波器用于对收到的信号进行陷波处理，处理后的信号输出到微积分补偿电路；由高通滤波电路及低通滤波电路构成二级陷波点电路，陷波点频率分别设置为加速度计机械谐振频率和测试系统的谐振频率。
微积分补偿电路用于对收到的信号进行PID调整，输出到功率放大器；设置微积分补偿电路使回路动态性能更加稳定。可通过调整该部分参数达到改变系统的带宽、阻尼等动态参数。
功率放大器用于对收到的信号进行功率放大，输出到加速度计的力矩器；实现对测试信号的响应，达到测试目的。
电流取样电路用于将力矩器驱动电流转换为电压信号后输出到信号放大电路，信号放大电路对收到的信号进行放大后输出到上位机。
通过设置测试接口模块，能够在线检测加速度计的品质参数。
根据本实用新型所述的一种姿态传感器控制模块的优选方案，所述温度采集模块包括温度传感器和电压跟随器,温度传感器将检测的温度信号转换成电压信号，通过电压跟随器进行隔离后输出到模拟信号预处理模块。
根据本实用新型所述的一种姿态传感器控制模块的优选方案，所述电源模块包括电源保护及EMC处理电路、DC-DC转换电路、基准电压产生电路、DC-DC降压电路和LDO降压电路；所述电源保护及EMC处理电路对直流输入电压进行保护处理和EMC处理后，输出到DC-DC转换电路，DC-DC转换电路将电压转换成系统需要的工作电压，为加速度传感器、模拟信号预处理模块和AD转换模块提供工作电压；基准电压产生电路将DC-DC转换电路的输出电压转换成AD转换模块需要的基准电压；DC-DC降压电路将DC-DC转换电路的输出电压进行降压处理，为AD转换模块、温度采集模块和输出接口模块提供工作电压；LDO降压电路将DC-DC降压电路的输出电压进行降压处理，为微处理器提供工作电压。
根据本实用新型所述的一种姿态传感器控制模块的优选方案，所述电源保护及EMC处理电路包括瞬态抑制二极管和共模电感；瞬态抑制二极管连接在电压输入端与地之间，对直流输入电压进行浪涌和过压保护；电压输入端接收直流输入电压；共模电感连接在电压输入端与电压输出端之间，电压输出端连接DC-DC转换电路的输入端。
本实用新型所述的一种姿态传感器控制模块的有益效果是：本实用新型具有控制精度高、温度漂移小、温度特性好，通过输出接口模块实现了与上位机直接进行通讯，通过设置测试接口模块，能够在线检测加速度计的品质参数，本实用新型可广泛应用于各类姿态传感器中。
附图说明
图1是本实用新型所述的一种姿态传感器控制模块的原理框图。
图2是本实用新型所述的测试接口模块8的电路原理示意图。
图3是本实用新型所述的温度采集模块7的电路原理示意图。
图4是本实用新型所述的电源模块1的电路原理示意图。
图5是本实用新型所述的电源保护及EMC处理电路原理示意图。
具体实施方式
参见图1至图5，一种姿态传感器控制模块，包括电源模块1、模拟信号预处理模块2、AD转换模块3、微处理器4、输出接口模块5、测试接口模块8、加速度传感器6和温度采集模块7，所述电源模块1为各模块提供工作电压。
加速度传感器6用于采集X轴和Y轴的重力加速度信号，并转换成电压信号后输出到模拟信号预处理模块2；所述加速度传感器6包括X轴加速度计和Y轴加速度计。
温度采集模块7用于分别采集X轴加速度计和Y轴加速度计的温度信号，并转换成电压信号后输出到模拟信号预处理模块2。
模拟信号预处理模块2接收加速度传感器6和温度采集模块7输出的信号，进行预处理后输出到AD转换模块3。
AD转换模块3对收到的信号进行AD转换，输出到微处理器4；可选用AD7656模数转换芯片。
微处理器4对收到的信号进行信号滤波、温度补偿、交叉耦合补偿及误差修正等处理后，将处理后的信号通过输出接口模块5发送到上位机。
输出接口模块5包括串口芯片，用于提供串口通讯。串口芯片可选用ADM2582E芯片，该芯片具有±15KV的ESD保护、1000MΩ的输入输出隔离阻抗和200mA的驱动电流，增强输出接口的抗干扰能力。
测试接口模块8用于接收外部测试信号，将测试信号经前置放大、解调、二阶滤波、陷波、微积分补偿处理和功率放大后，施加到加速度计的力矩器，并将力矩器低端电流信号转换为电压信号，经线性比例放大，输出与测试信号成比例的直流电压信号到上位机。
所述测试接口模块8包括前置放大器81、解调电路82、二阶滤波器83、陷波器84、微积分补偿电路85、功率放大器86、电流取样电路87和信号放大电路88。
前置放大器81接收测试信号，对测试信号进行放大后输出到解调电路82。
解调电路82对信号进行调理解调后送入二阶滤波器83。
二阶滤波器83对信号进行滤波处理后输出到陷波器84。
陷波器84用于对收到的信号进行陷波处理，处理后的信号输出到微积分补偿电路85；由高通滤波电路及低通滤波电路构成二级陷波点电路，陷波点频率分别设置为加速度计机械谐振频率和测试系统的谐振频率。
微积分补偿电路85用于对收到的信号进行PID调整，输出到功率放大器86。
功率放大器86用于对收到的信号进行功率放大，输出到加速度计的力矩器61。
电流取样电路87用于将力矩器驱动电流转换为电压信号后输出到信号放大电路88，信号放大电路88对收到的信号进行放大后输出到上位机。
在线测试加速度计的品质参数时，将测试信号经前置放大、解调、二阶滤波、陷波、微积分补偿处理和功率放大后，反馈到加速度计的力矩器，保持加速度计质量检测块平衡，使系统闭环。力矩器低端电流信号经电流取样电路转换为电压信号，经线性比例放大，输出与测试信号成比例的直流电压信号。上位机根据输入的测试电压与输出的直流电压信号的比例关系，可以判定加速度计的各项性能指标。
所述温度采集模块7包括温度传感器U1和电压跟随器U2A,温度传感器U1可选用AD590、DS18B20等。温度传感器U1将检测的温度信号转换成电压信号，通过电压跟随器U2A进行隔离后输出到模拟信号预处理模块2。
所述电源模块1包括电源保护及EMC处理电路11、DC-DC转换电路12、基准电压产生电路13、DC-DC降压电路14和LDO降压电路15；所述电源保护及EMC处理电路11对直流输入电压进行保护处理和EMC处理后，输出到DC-DC转换电路12，DC-DC转换电路12将电压转换成系统需要的工作电压，可选用THN30-2423WI，将27V电压转换成±15V电压，为加速度传感器6、模拟信号预处理模块2和AD转换模块3的部分电路提供工作电压；基准电压产生电路13将DC-DC转换电路12的输出电压转换成AD转换模块3需要的基准电压；DC-DC降压电路14将DC-DC转换电路12的输出电压进行降压处理，可选用LTM8021IV，转换效率高，发热量小，将15V电压转换成5V电压，为AD转换模块3的部分电路、温度采集模块7和输出接口模块5提供工作电压；LDO降压电路15将DC-DC降压电路14的输出电压进行降压处理，可选用TPS7333QD，将5V电压转换成3.3V电压，为微处理器4提供工作电压。
所述电源保护及EMC处理电路11包括反接保护二极管D1、瞬态抑制二极管D2和共模电感L1；瞬态抑制二极管D2连接在电压输入端与地之间，对直流输入电压进行浪涌和过压保护；电压输入端接收直流输入电压；共模电感L1连接在电压输入端与电压输出端之间，用于抑制共模电流，减小电磁辐射。电压输出端连接DC-DC转换电路12的输入端。
本实用新型仅限于对硬件结构的保护。尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种姿态传感器控制模块，包括电源模块(1)、模拟信号预处理模块(2)、AD转换模块(3)、微处理器(4)、输出接口模块(5)、加速度传感器(6)、温度采集模块(7)和测试接口模块(8)，所述电源模块(1)为各模块提供工作电压；
其特征在于：
加速度传感器(6)用于采集X轴和Y轴的重力加速度信号，并转换成电压信号后输出到模拟信号预处理模块(2)；所述加速度传感器(6)包括X轴加速度计和Y轴加速度计；
温度采集模块(7)用于分别采集X轴加速度计和Y轴加速度计的温度信号，并转换成电压信号后输出到模拟信号预处理模块(2)；
模拟信号预处理模块(2)接收加速度传感器(6)和温度采集模块(7)输出的信号，进行预处理后输出到AD转换模块(3)；
AD转换模块(3)对收到的信号进行AD转换，输出到微处理器(4)；
微处理器(4)对收到的信号进行处理后，将处理后的信号通过输出接口模块(5)发送到上位机；
输出接口模块(5)包括串口芯片，用于提供串口通讯；
测试接口模块(8)用于接收外部测试信号，将测试信号经前置放大、解调、二阶滤波、陷波、微积分补偿处理和功率放大后，施加到加速度计的力矩器，并将力矩器低端电流信号转换为电压信号，经线性比例放大，输出与测试信号成比例的直流电压信号到上位机。
2.根据权利要求1所述的一种姿态传感器控制模块，其特征在于：所述测试接口模块(8)包括前置放大器(81)、解调电路(82)、二阶滤波器(83)、陷波器(84)、微积分补偿电路(85)、功率放大器(86)、电流取样电路(87)和信号放大电路(88)；
前置放大器(81)接收外部测试信号，对测试信号进行放大后输出到解调电路(82)；
解调电路(82)对信号进行调理解调后送入二阶滤波器(83)；
二阶滤波器(83)对信号进行滤波处理后输出到陷波器(84)；
陷波器(84)用于对收到的信号进行陷波处理，处理后的信号输出到微积分补偿电路(85)；
微积分补偿电路(85)用于对收到的信号进行PID调整，输出到功率放大器(86)；
功率放大器(86)用于对收到的信号进行功率放大，输出到加速度计的力矩器(61)；
电流取样电路(87)用于将力矩器驱动电流转换为电压信号后输出到信号放大电路(88)，信号放大电路(88)对收到的信号进行放大后输出到上位机。
3.根据权利要求1所述的一种姿态传感器控制模块，其特征在于：所述温度采集模块(7)包括温度传感器和电压跟随器,温度传感器将检测的温度信号转换成电压信号，通过电压跟随器进行隔离后输出到模拟信号预处理模块(2)。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种姿态传感器控制模块，其特征在于：所述电源模块(1)包括电源保护及EMC处理电路(11)、DC-DC转换电路(12)、基准电压产生电路(13)、DC-DC降压电路(14)和LDO降压电路(15)；
所述电源保护及EMC处理电路(11)对直流输入电压进行保护处理和EMC处理后，输出到DC-DC转换电路(12)；
所述DC-DC转换电路(12)将电压转换成系统需要的工作电压，为加速度传感器(6)、模拟信号预处理模块(2)和AD转换模块(3)提供工作电压；
所述基准电压产生电路(13)将DC-DC转换电路(12)的输出电压转换成AD转换模块(3)需要的基准电压；
所述DC-DC降压电路(14)将DC-DC转换电路(12)的输出电压进行降压处理，为AD转换模块(3)、温度采集模块(7)和输出接口模块(5)提供工作电压；
所述LDO降压电路(15)将DC-DC降压电路(14)的输出电压进行降压处理，为微处理器(4)提供工作电压。
5.根据权利要求4所述的一种姿态传感器控制模块，其特征在于：所述电源保护及EMC处理电路(11)包括瞬态抑制二极管和共模电感；瞬态抑制二极管连接在电压输入端与地之间，对直流输入电压进行浪涌和过压保护；电压输入端接收直流输入电压；共模电感连接在电压输入端与电压输出端之间，电压输出端连接DC-DC转换电路(12)的输入端。
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