CN217483542U - 惯性测量单元的系统采集控制装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及惯性测量单元的系统采集控制装置，用于采集传感器的测量数据，包括惯性测量传感器接口模块、传感器模拟电路采集模块、姿态数据接口模块、可编程逻辑控制中心、存储模块、电源管理模块、连接柔缆。可编程逻辑控制中心同时与各模块连接，电源管理模块为各模块供电，其中惯性测量传感器接口模块包括惯性测量传感器接口一和惯性测量传感器接口二；连接柔缆包括连接柔缆一和连接柔缆二；连接柔缆一和惯性测量传感器接口一连接，连接柔缆二和惯性测量传感器接口二连接，连接柔缆一和二可以连接惯性测量传感器组件。通过将系统采集控制装置与惯性测量传感器组件分立设计，有利于满足不同应用场景的使用需求，兼容不同种类和数量的传感器组件。

Description

惯性测量单元的系统采集控制装置

技术领域

本申请涉及惯性测量领域，尤其涉及一种惯性测量单元的系统采集控制装置。

背景技术

惯性测量单元IMU(Inertial Measurement Unit)是在一种组合物体精密陀螺仪、加速度计、磁强计和压力传感器的惯性测量装置，无需外部参考即可测量三维线运动及角运动等信息，广泛应用于农业、工业、航天器、无人机等领域。惯性测量单元根据应用场景的不同采用不同轴数的传感器进行惯性测量。

传统的惯性测量单元产品将惯性传感器和系统采集控制装置一体化设计，不同的应用场景往往需要重新进行设计，难以满足不同的使用需求，适用范围小。

实用新型内容

有鉴于此，本申请提出了一种惯性测量单元的系统采集控制装置，将系统采集控制装置与惯性测量传感器组件分立设计，可兼容不同种类和数量的传感器组件，满足不同的使用需求。

根据本申请的一方面，提供了一种惯性测量单元的系统采集控制装置，包括：惯性测量传感器接口模块、传感器模拟电路采集模块、姿态数据接口模块、可编程逻辑控制中心、存储模块、电源管理模块、连接柔缆；

所述可编程逻辑控制中心同时与所述惯性测量传感器接口模块、传感器模拟电路采集模块、存储模块、姿态数据接口模块连接；

所述传感器模拟电路采集模块与所述惯性测量传感器接口模块连接；

所述电源管理模块同时与所述可编程逻辑控制中心、所述传感器模拟电路采集模块、所述存储模块、所述惯性测量传感器接口模块、所述姿态数据接口模块连接；

所述惯性测量传感器接口模块包括：惯性测量传感器接口一、惯性测量传感器接口二；所述连接柔缆包括：连接柔缆一、连接柔缆二；

所述连接柔缆一与所述惯性测量传感器接口一连接，所述连接柔缆二与所述惯性测量传感器接口二连接；所述连接柔缆一和所述连接柔缆二可以连接惯性测量传感器组件。

在一种可能的实现方式中，所述传感器模拟电路采集模块包括模拟信号放大通道、模拟信号多路复用采样模块；

所述模拟信号放大通道与所述模拟信号多路复用采样模块相连；

所述模拟信号多路复用采样模块包括八选一多路复用器、模数转换器；

所述惯性测量传感器接口二与所述模拟信号放大通道连接，所述模拟信号放大通道与所述八选一多路复用器相连，所述八选一多路复用器与所述模数转换器连接；

所述可编程逻辑控制中心包括传感器模拟通信模块；所述八选一多路复用器与所述传感器模拟通信模块连接。

在一种可能的实现方式中，所述可编程逻辑控制中心还包括：传感器数字通信模块、姿态数据解算模块、姿态数据通信模块；

所述惯性测量传感器接口一和所述传感器数字通信模块连接；

所述传感器模拟通信模块和所述传感器数字通信模块同时与所述姿态数据解算模块连接，所述姿态数据解算模块与所述姿态数据通信模块连接。

在一种可能的实现方式中，可编程逻辑控制中心还包括存储控制模块；

所述存储控制模块与所述姿态数据解算模块连接。

在一种可能的实现方式中，可编程逻辑控制中心还包括采集控制模块；

所述采集控制模块同时与所述惯性测量传感器接口模块、所述八选一多路复用器、所述模数转换器和所述姿态数据解算模块连接。

在一种可能的实现方式中，所述姿态数据通信模块与所述姿态数据接口模块连接。

在一种可能的实现方式中，所述存储控制模块与所述存储模块连接。

在一种可能的实现方式中，所述存储模块包括电可擦除可编程只读存储器和非易失性闪存；

所述电可擦除编程只读存储器用于存储传感器配置信息，所述非易失性闪存用于存储所述可编程逻辑控制中心的程序。

在一种可能的实现方式中，所述电源管理模块包括+5V电源转换模块、+1.8V电源转换模块、±12V电源转换模块、参考电压转换模块、+3.3V电源转换模块、+2.5V电源转换模块、+1.2V电源转换模块；

所述+5V电源转换模块、所述+1.8V电源转换模块、所述±12V电源转换模块同时与所述惯性测量传感器接口模块连接；所述参考电压转换模块与所述传感器模拟电路采集模块连接；所述+3.3V电源转换模块、所述+2.5V电源转换模块、所述+1.2V电源转换模块同时与所述可编程逻辑控制中心连接；所述+5V电源转换模块和所述+3.3V电源转换模块与所述存储模块和所述姿态数据接口模块连接；所述电源管理模块能够与外部电源连接。

本申请实施例惯性测量单元的系统采集控制装置，以大规模可编程逻辑控制中心作为核心，通过惯性测量传感器接口模块和连接柔缆实现多轴惯性测量传感器组件的连接，实现多传感器信号通信、信号处理、姿态数据解算，将系统采集控制装置和传感器组件分立设计，由此解决传统惯性测量单元产品将惯性传感器和系统采集控制一体化设计的问题，能够适应不同的使用场景，具备通用性。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本申请的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本申请的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本申请的原理。

图1示出本申请实施例的惯性测量单元的系统采集控制装置的示意图；

图2示出本申请实施例的可编程逻辑控制中心的示意图；

图3示出本申请实施例的传感器模拟电路采集模块的示意图；

图4示出本申请实施例的电源管理模块的示意图；

图5示出本申请实施例的惯性测量传感器接口模块示意图；

图6示出本申请实施例的惯性测量传感器接口模块电路原理图；

图7示出本申请实施例的传感器模拟电路采集模块的模拟信号放大通道电路原理图；

图8示出本申请实施例的传感器模拟电路采集模块的模拟信号多路复用采样模块电路原理图；

图9示出本申请实施例的电源管理模块的+1.8V和+1.2V电源转换模块的电路原理图；

图10示出本申请实施例的电源管理模块的+2.5V和+3.3V电源转换模块的电路原理图；

图11示出本申请实施例的电源管理模块的±12V电源转换模块的电路原理图；

图12示出本申请实施例的姿态数据接口模块电路原理图；

图13示出本申请实施例的存储模块电路原理图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本申请的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

其中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请或简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本申请，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本申请同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本申请的主旨。

图1示出本申请实施例的惯性测量单元的系统采集控制装置的示意图，如图1所示，该惯性测量单元的系统采集控制装置100用于采集传感器的测量数据，该系统采集控制装置100包括：惯性测量传感器接口模块120、传感器模拟电路采集模块130、姿态数据接口模块140、可编程逻辑控制中心110、存储模块150、电源管理模块160、连接柔缆125；其中，可编程逻辑控制中心110同时与惯性测量传感器接口模块120、传感器模拟电路采集模块130、存储模块150和姿态数据接口模块140连接；传感器模拟电路采集模块130与惯性测量传感器接口模块120连接，电源管理模块160同时与可编程逻辑控制中心110、传感器模拟电路采集模块130、存储模块150、惯性测量传感器接口模块120、姿态数据接口模块140连接；如图5所示，惯性测量传感器接口模块120包括：惯性测量传感器接口一121和惯性测量传感器接口二122；连接柔缆125包括：连接柔缆一124和连接柔缆二123，连接柔缆一124与惯性测量传感器接口一121连接，连接柔缆二123与惯性传感器接口二121连接，连接柔缆一124和连接柔缆二123可以连接惯性测量传感器组件。

由此，本申请实施例的惯性测量单元的系统采集控制装置，以大规模可编程逻辑控制中心110作为系统采集控制的核心，通过惯性测量传感器接口模块120和连接柔缆125实现多轴惯性测量传感器组件的连接。需要说明的是，多轴惯性测量单元传感器组件包括以下传感器的一个或多个：陀螺仪组件和加速度计组件，其中陀螺仪组件用于采集被测物体的运动参数，包括移动信号、姿态信号和物体运动信号中任一个或多个；加速度计组件用于采集被测物体的运动参数，包括移动信号、姿态信号和温度信号中任一个或多个。惯性测量传感器接口模块120至少包含一组陀螺仪组件供电接口和通信接口，例如惯性测量传感器接口一122包含三路陀螺仪组件供电接口和三组陀螺仪组件通信接口，通过连接柔缆一124与惯性测量传感器接口一122连接，再将连接柔缆一124与陀螺仪组件连接，提高装置的可装配性，灵活实现组件间的装配；惯性测量传感器接口模块120还至少包含一组加速度计组件供电接口和通信接口，例如惯性测量传感器接口二121包含三路加速度计组件供电接口和三组加速度计组件通信接口，使用时需将惯性测量传感器接口二121 和连接柔缆二123连接，再将连接柔缆二123和加速度计组件连接，同时也提高了惯性测量单元的可维修性，实现组件的灵活更换。惯性测量传感器接口模块120采用FPC(Flexible PrintedCircuit board)柔性印刷电路板，实现一对多的电源和信号分配，同时采用ZIF(Zeroinsertion force)零插入力连接器，接口小巧便于再体积受限的惯性测量单元内部实现组件连接。通过惯性传感器和系统采集与控制分立设计的方式，改善了传统装置采集与控制和传感器组件集成设计，难以扩展，开发周期长的缺点。

在一种可能的实现方式中，传感器模拟电路采集模块130包括模拟信号放大通道131、模拟信号多路复用采样模块132；模拟信号放大通道131与模拟信号多路复用采样模块132相连，模拟信号多路复用采样模块132包括八选一多路复用器133、模数转换器134；惯性测量传感器接口二121与模拟信号放大通道连接131，模拟信号放大通道131与八选一多路复用器133连接，八选一多路复用器133与模数转换器134连接。同时，可编程逻辑控制中心110 包括传感器模拟通信模块112，八选一多路复用器133和传感器模拟通信模块 112连接。

此处，需要说明的是，传感器模拟电路采集模块130用于接收惯性测量传感器接口模块120获取的模拟传感器信号和温度信号。具体而言，传感器模拟电路采集模块130至少包含一路加速度计模拟信号放大通道，使用时需将加速度计组件输出模拟信号通过连接柔缆二123连接至惯性测量传感器接口二121，再连接至加速度计组件模拟信号放大通道，例如多路模拟放大通道包含三路加速度计组件输出的加速度测量信号和三路加速度计组件输出的温度信号，由模拟信号放大通道131将获取的模拟传感器信号和温度信号进行放大，随后由模拟信号多路复用采样模块132将模拟信号放大通道131的多路信号分时进行数字化采样。模拟信号多路复用采样模块包括一个八选一多路复用器133和模数转换器134，其中八选一多路复用器133可实现最多八路模拟信号放大通道的分时采样，通过可编程逻辑控制中心110输出三个片选信号，实现八选一分时输出，再通过模数转换器134实现分时采样，将八选一多路复用器133输出的模拟信号进行模数转换。

在一种可能的实现方式中，可编程逻辑控制中心110还包括：传感器数字通信模块111、姿态数据解算模块113、姿态数据通信模块114；惯性测量传感器接口一121和传感器数字通信模块111连接，传感器模拟通信模块112 和传感器数字通信模块111同时姿态数据解算模块113连接，姿态数据解算模块113与姿态数据通信模块连接114。

此处，需要说明的是，传感器数字通信模块111用于获取惯性测量传感器接口一122以数字形式传递过来的传感器信息，姿态数据解算模块113接收传感器数字通信模块111发送的数字传感信息和传感器模拟通信模块发送的采样传感器信息，随后将姿态数据发送至姿态数据通信模块114。可编程逻辑控制中心110根据采集的多轴惯性测量传感数据进行实时解算、校准和补偿，输出连续稳定的姿态数据。惯性测量传感器接口模块120和连接柔缆125 连接多轴惯性测量传感器组件，可编程逻辑控制中心110通过二者完成多传感器信号通信、信号处理和姿态数据解算，输出连续稳定的姿态数据，通用性和扩展性强，可兼容不同传感器组件。其中，传感器数字通信模块112采样TTL串口通信模块，姿态数据通信模块114采样TTL串口通信模块。

在一种可能的实现方式中，可编程逻辑控制中心110还包括存储控制模块115，存储控制模块115与姿态数据解算模块113连接。

在一种可能的实现方式中，可编程逻辑控制中心110还包括采集控制模块116，采集控制模块116同时与惯性测量传感器接口模块120、八选一多路复用器133、模数转换器134和姿态数据解算模块113连接。具体的，采集控制模块116用于控制传感器模拟电路采集模块130和惯性测量传感器接口模块120的采样参数及通道选择。

在一种可能的实现方式中，姿态数据通信模块114与姿态数据接口模块 140连接。具体的，姿态数据通信模块114将姿态数据解算模块113解算的姿态数据输出至姿态数据接口模块140，由姿态数据接口模块140将可编程逻辑控制中心110的姿态数据通信模块114输出的姿态数据转换为标准串行接口。

在一种可能的实现方式中，存储控制模块115与存储模块150连接。具体的，存储控制模块115用于读写存储模块150中的传感器组件配置参数和可编程逻辑期间配置程序。

在一种可能的实现方式中，存储模块150包括EEPROM电可擦除可编程只读存储器151和NOR FLASH非易失性闪存152。其中电可擦除可编程只读存储器151用于存储传感器配置信息，非易失性闪存152用于存储可编程逻辑控制中心110的程序。

在一种可能的实现方式中，电源管理模块160包括+5V电源转换模块162、 +1.8V电源转换模块163、±12V电源转换模块164、参考电压转换模块161、 +3.3V电源转换模块165、+2.5V电源转换模块166、+1.2V电源转换模块167；其中，+5V电源转换模块162、+1.8V电源转换模块163、±12V电源转换模块 164同时与惯性测量传感器接口模块120连接；参考电压转换模块161与传感器模拟电路采集模块130连接；+3.3V电源转换模块165、+2.5V电源转换模块166、+1.2V电源转换模块167同时与可编程逻辑控制中心110连接；+5V电源转换模块162和+3.3V电源转换模块165与存储模块150和姿态数据接口模块 140连接；电源管理模块160能够与外部电源连接。

此处，需要说明的是，电源管理模块160通过外部输入单一电压，为多轴惯性传感器提供高精度及高稳定性的工作电压和参考电压。通过多个不同电压转换模块为惯性测量传感器接口模块120、传感器模拟电路采集模块130、可编程逻辑控制中心110、存储模块150、姿态数据接口模块140提供不同的工作电压和参考电压，由此惯性测量传感器接口模块120可为多传感器提供工作电压、参考电压、通信接口，从而获取多传感器测量信息，解算惯性单元的方向和速度等惯性信息。

综上所述，在多轴传感器惯性测量中，系统采集控制装置以可编程逻辑控制中心110作为核心，根据采集的多轴惯性测量传感器数据进行实时解算、校准和补偿，输出连续稳定的姿态数据。其中，通过惯性测量传感器接口模块120和连接柔缆125实现多轴惯性测量传感器组件的连接，惯性测量传感器接口模块120为多传感器提供工作电压、参考电压、通信接口，其用于获取传感器测量信息，从而解算惯性单元的方向和速度等惯性信息。随后由传感器模拟电路采集模块130将惯性测量传感器接口模块120获取的模拟传感器信号和温度信号放大，由模拟信号多路复用采样模块132进行数字化采样。姿态数据解算模块113接收传感器数字通信模块111发送的数字传感器信息和传感器模拟通信模块112发送的采样传感器信息，并由姿态数据通信模块 114传输至姿态数据接口模块140至用户。将系统采集控制装置和惯性传感器组件分立设计，以连接柔缆125和惯性测量传感器接口模块120实现连接，可兼容不同数量和种类的传感器组件，适应不同的使用需求。

以上已经描述了本申请的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (9)

1.一种惯性测量单元的系统采集控制装置，用于采集传感器的测量数据，其特征在于，包括惯性测量传感器接口模块、传感器模拟电路采集模块、姿态数据接口模块、可编程逻辑控制中心、存储模块、电源管理模块、连接柔缆；

所述可编程逻辑控制中心同时与所述惯性测量传感器接口模块、所述传感器模拟电路采集模块、所述存储模块、所述姿态数据接口模块连接；

所述传感器模拟电路采集模块与所述惯性测量传感器接口模块连接；

所述电源管理模块同时与所述可编程逻辑控制中心、所述传感器模拟电路采集模块、所述存储模块、所述惯性测量传感器接口模块、所述姿态数据接口模块连接；

所述惯性测量传感器接口模块包括：惯性测量传感器接口一、惯性测量传感器接口二；所述连接柔缆包括：连接柔缆一、连接柔缆二；

所述连接柔缆一与所述惯性测量传感器接口一连接，所述连接柔缆二与所述惯性测量传感器接口二连接；所述连接柔缆一和所述连接柔缆二可以连接惯性测量传感器组件。

2.根据权利要求1所述的惯性测量单元的系统采集控制装置，其特征在于，所述传感器模拟电路采集模块包括模拟信号放大通道、模拟信号多路复用采样模块；

所述模拟信号放大通道与所述模拟信号多路复用采样模块相连；

所述模拟信号多路复用采样模块包括八选一多路复用器、模数转换器；

所述惯性测量传感器接口二与所述模拟信号放大通道连接，所述模拟信号放大通道与所述八选一多路复用器相连，所述八选一多路复用器与所述模数转换器连接；

所述可编程逻辑控制中心包括传感器模拟通信模块；所述八选一多路复用器与所述传感器模拟通信模块连接。

3.根据权利要求2所述的惯性测量单元的系统采集控制装置，其特征在于，所述可编程逻辑控制中心还包括：传感器数字通信模块、姿态数据解算模块、姿态数据通信模块；

所述惯性测量传感器接口一和所述传感器数字通信模块连接；

所述传感器模拟通信模块和所述传感器数字通信模块同时与所述姿态数据解算模块连接，所述姿态数据解算模块与所述姿态数据通信模块连接。

4.根据权利要求3所述的惯性测量单元的系统采集控制装置，其特征在于，所述可编程逻辑控制中心还包括存储控制模块；

所述存储控制模块与所述姿态数据解算模块连接。

5.根据权利要求3所述的惯性测量单元的系统采集控制装置，其特征在于，所述可编程逻辑控制中心还包括采集控制模块；

所述采集控制模块同时与所述惯性测量传感器接口模块、所述八选一多路复用器、所述模数转换器和所述姿态数据解算模块连接。

6.根据权利要求3所述的惯性测量单元的系统采集控制装置，其特征在于，所述姿态数据通信模块与所述姿态数据接口模块连接。

7.根据权利要求4所述的惯性测量单元的系统采集控制装置，其特征在于，所述存储控制模块与所述存储模块连接。

8.根据权利要求7所述的惯性测量单元的系统采集控制装置，其特征在于，所述存储模块包括电可擦除可编程只读存储器和非易失性闪存；

所述电可擦除编程只读存储器用于存储传感器配置信息，所述非易失性闪存用于存储所述可编程逻辑控制中心的程序。

9.根据权利要求1所述的惯性测量单元的系统采集控制装置，其特征在于，所述电源管理模块包括+5V电源转换模块、+1.8V电源转换模块、±12V电源转换模块、参考电压转换模块、+3.3V电源转换模块、+2.5V电源转换模块、+1.2V电源转换模块；

所述+5V电源转换模块、所述+1.8V电源转换模块、所述±12V电源转换模块同时与所述惯性测量传感器接口模块连接；所述参考电压转换模块与所述传感器模拟电路采集模块连接；所述+3.3V电源转换模块、所述+2.5V电源转换模块、所述+1.2V电源转换模块同时与所述可编程逻辑控制中心连接；所述+5V电源转换模块和所述+3.3V电源转换模块与所述存储模块和所述姿态数据接口模块连接；所述电源管理模块能够与外部电源连接。

Images