本发明专利技术公开了一种基于DSP和CPLD开发的IMU数据采集电路及采集方法，适用于采集以RS422输出的陀螺仪和差分脉冲输出的加速度计构建的IMU，包括DSP电路、CPLD电路、扩展串口电路、AD采样电路、隔离串口电路和二次电源电路。扩展串口电路采集陀螺的角速度和加速度，CPLD电路采集加计的加速度，AD采样电路采集加计的温度和二次电源检测电压，以上数据均由总线连至DSP，通过隔离串口电路接收采样脉冲和发送IMU数据。本发明专利技术电路结构紧凑，可将IMU数据通过DSP实时采集和发送，不仅避免了数据冲突、丢失和误码，还增加了电压检测和对输入输出的电气隔离，实现了高速、可靠的数据采集。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于DSP和CPLD开发的IMU(Inertial Measurement Unit，惯性测量单元)数据采集电路及采集方法，属于IMU数据采集电路的
，适用于采集以RS422输出的陀螺仪和差分脉冲输出的加速度计构建的IMU，特别适合对IMU数据采集实时性要求较高的应用场合。
技术介绍
一般的，IMU包含了3个单轴陀螺仪和3个单轴加速度计，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，同时采集各自的温度。为了实现高速的导航解算，需要确保IMU数据采集的实时性。传统的基于DSP和CPLD开发数据采集电路在接收多路RS422数据与差分脉冲数据时，多采用CPLD算法例化的办法，虽然该设计具有多通道的收发能力，但是同一时刻接收多路多字节RS422数据容易出现数据冲突、丢失和误码，且CPLD程序时序复杂、占用逻辑单元多；当CPLD同时接收的RS422数据与差分脉冲数据时，确保二者在时间上完全同步也存在一定的问题；此外，多路数据在DSP与CPLD时间通讯时会占用DSP过多的外部中断，使得多路数据在接收时容易造成通讯冲突，进而引起数据丢失。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：针对现有IMU数据采集电路的不足，对使用RS422输出的陀螺仪和差分脉冲输出的加速度计构建的IMU，提供一种基于DSP和CPLD的数据采集电路及方法，利用扩展串口电路接收3路陀螺的角速度和温度数据；利用CPLD接收3路加计的加速度数据，同时整合3路陀螺数据的接收中断信号；利用AD采样电路采集3路加计的温度数据与4路二次电源检测电压；利用隔离串口电路接收外界采样脉冲和发送IMU数据，并实现与外界的电气隔离。该数据采集电路结构节省了DSP的外部中断资源，简化了CPLD的时序逻辑，实现IMU数据的实时采集与输出，并增加了采集电路的可靠性与抗干扰性。本专利技术的解决技术方案是：一种基于DSP和CPLD的IMU数据采集电路结构，适用于采集以RS422输出的陀螺仪和差分脉冲输出的加速度计构建的IMU，包括DSP电路、CPLD电路、扩展串口电路、AD采样电路、隔离串口电路和二次电源电路组成。所述的DSP电路通过第一并行总线与CPLD电路互连，读取3路加速度计的差分脉冲数据；通过第二并行总线与扩展串口电路互连，读取3路陀螺的RS422数据；通过SPI总线与AD采样电路互连，读取3路加速度计的温度数据与4路二次电源检测电压；通过DSP电路内部的串口模块与隔离串口电路互连，接收外界的采样脉冲和发送IMU采样结果。所述的CPLD电路将DSP电路发送的采样同步脉冲变成差分格式发送给3路陀螺，同时锁存当前的3路加计输出的差分脉冲数据，通过第一并行总线由DSP电路读取，同时将扩展串口电路接收到的3路陀螺中断信号整合为1路，发送至DSP电路；所述的扩展串口电路接收3路陀螺输出的RS422数据，其每个通道均具备16字节的FIFO，在接收完一帧陀螺数据后给出对应通道的中断信号，可以大大减少中断次数；DSP电路收到整合的中断信号后，通过并行总线2依次读取3路陀螺的数据；所述的AD采样电路采集3路加计的温度输出，同时通过分压电路采集二次电源的4路检测电压，DSP电路通过SPI总线，以轮询的方式依次读取7路AD采样结果；考虑到AD采样转换时间较长，而加计的温度数据与二次电源的检测电压不需要与其他数据实时对应，滞后一个采样周期也不会造成影响，因此使用发送完IMU数据后再读取AD采样结果的方式，可以有效提高IMU数据采集的速度。所述的隔离串口电路采用集成芯片，通过磁耦的方式实现输入侧与输出侧的电气隔离，降低数据采集电路结构与外界电路的相互干扰，而且该隔离串口电路采用单侧供电模式，不需要外界进行供电。隔离串口电路接收外界的差分采样脉冲，变为单端信号后发送至DSP电路，这样可以提高采样脉冲的抗干扰能力。所述的二次电源电路使用集成DC-DC模块，将外界供电转换为IMU和数据采集电路需要的电压。本专利技术的工作流程为：IMU数据采集电路结构上电后，DSP电路等待外界的采样脉冲；采样脉冲触发DSP电路的外部中断1，则DSP电路经过CPLD电路在同一时刻向3路陀螺和3路加速度计发送采样同步脉冲；3路陀螺数据由扩展串口电路均接收完毕后，由CPLD电路向DSP电路给出外部中断2，DSP通过第一并行总线和第二并行总线依次读取3路加速度计的加速度数据和3路陀螺的角速度、温度数据；然后DSP电路通过隔离串口电路将IMU的数据发送至上位机；数据发送完毕后通过SPI总线读取AD采样电路得到3路加速度计的温度数据与4路二次电源检测电压，至此完成一次对IMU的数据采集。本专利技术的原理是：RS422输出的陀螺仪一般是每帧数据多个字节，其中包含了陀螺的角速度数据和温度数据；加速度计输出的差分脉冲仅包含了加速度数据，其温度数据是模拟电压输出，需要通过AD采样获得温度数据。因此针对这类IMU，本专利技术电路结构设计了包括DSP电路、CPLD电路、扩展串口电路、AD采样电路、隔离串口电路和二次电源电路6个模块。RS422输出的陀螺为了节省数据传输时间，一般的波特率较高(例如614.4kbps)，每帧数据约10个字节。本专利技术电路结构使用的扩展串口电路可以同时接收4路通道的串行数据，最大支持的波特率为5Mbps，每个通道具备16字节的接收FIFO，以并行总线形式与DSP电路互连，因此非常适合同时接收3路陀螺输出的数据。加速度计输出的加速度数据为差分脉冲，通过CPLD电路进行简易编程即可实现计数功能，其温度输出为模拟电压，通过AD采样即可实现采集。为了提高数据采集的实时性、避免时序冲突，本专利技术电路结构采用了如下方法：以DSP电路为主控电路，DSP电路在接收到外界采样的脉冲后，触发外部中断1，主动向CPLD电路发出同步脉冲，CPLD电路接收后锁存当前时刻3路加速计的差分脉冲计数结果，同时向3路陀螺发出差分同步脉冲，陀螺收到同步脉冲后开始发送多字节的RS422数据，因此3路陀螺和3路加速度计的数据几乎是同一时刻进行的采样，确保了二者的同步；3路陀螺数据由扩展串口电路接收完毕后，发出3路中断信号，由CPLD整合以后发至DSP，触发DSP电路的外部中断2，此时DSP电路处于空闲状态，不会引起时序混乱，之后DSP电路通过第一并行总线和第二并行总线读取3路陀螺和3路加计的数据；然后DSP电路即向上位机发送IMU采样结果；最后DSP电路经SPI总线读取AD采样结果，以减少AD采样转换时间过长对数据采集的实时性的影响，而在高速采样中，AD采样的3加本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于DSP和CPLD开发的IMU数据采集电路，适用于采集以RS422输出的陀螺仪和差分脉冲输出的加速度计构建的IMU，包括DSP电路(1)、CPLD电路(2)、串口扩展电路(3)、AD采样电路(4)、隔离串口电路(5)和二次电源电路(6)组成，其特征在于：所述DSP电路(1)通过第一并行总线与CPLD电路(2)互连，读取3路加速度计的差分脉冲数据；通过第二并行总线与扩展串口电路(3)互连，读取3路陀螺的RS422数据；通过SPI总线与AD采样电路(4)互连，读取3路加速度计的温度数据与4路二次电源检测电压；通过DSP内部的串口模块与隔离串口电路(5)互连，接收外界的采样脉冲和发送IMU采样结果；所述CPLD电路(2)将DSP电路(1)发送的采样同步脉冲变成差分格式发送给3路陀螺，同时锁存当前的3路加速度计输出的差分脉冲数据，通过第一并行总线由DSP电路(1)读取，同时将扩展串口电路(3)接收到的3路陀螺中断信号整合为1路，发送至DSP电路(1)；所述扩展串口电路(3)接收3路陀螺输出的RS422数据，其每个通道均具备16字节的FIFO，在接收完一帧陀螺数据后给出对应通道的中断信号，可以大大减少中断次数；DSP电路(1)收到CPLD电路(2)整合的中断信号后，通过第二并行总线依次读取3路陀螺的数据；所述AD采样电路(4)采集3路加计的温度输出，同时通过分压电路采集二次电源的4路检测电压，DSP电路(1)通过SPI总线，以轮询的方式依次读取7路AD采样电路(4)的结果；考虑到AD采样转换时间较长，而加计的温度数据与二次电源的检测电压不需要与其他数据实时对应，滞后一个采样周期也不会造成影响，因此使用发送完IMU数据后再读取AD采样结果的方式，可以有效提高IMU数据采集的速度；所述隔离串口电路(5)采用集成芯片，通过磁耦的方式实现输入侧与输出侧的电气隔离，降低数据采集电路结构与外界电路的相互干扰，而且该隔离串口电路采用单侧供电模式，不需要外界进行供电。隔离串口电路接收外界的差分采样脉冲，变为单端信号后发送至DSP电路(1)，这样可以提高采样脉冲的抗干扰能力；所述二次电源电路(6)使用集成DC‑DC模块，将外界供电转换为IMU和数据采集电路需要的电压。...
【技术特征摘要】
1.一种基于DSP和CPLD开发的IMU数据采集电路，适用于采集以RS422输出的陀螺仪和差分脉冲输出的加速度计构建的IMU，包括DSP电路(1)、CPLD电路(2)、串口扩展电路(3)、AD采样电路(4)、隔离串口电路(5)和二次电源电路(6)组成，其特征在于：
所述DSP电路(1)通过第一并行总线与CPLD电路(2)互连，读取3路加速度计的差分脉冲数据；通过第二并行总线与扩展串口电路(3)互连，读取3路陀螺的RS422数据；通过SPI总线与AD采样电路(4)互连，读取3路加速度计的温度数据与4路二次电源检测电压；通过DSP内部的串口模块与隔离串口电路(5)互连，接收外界的采样脉冲和发送IMU采样结果；
所述CPLD电路(2)将DSP电路(1)发送的采样同步脉冲变成差分格式发送给3路陀螺，同时锁存当前的3路加速度计输出的差分脉冲数据，通过第一并行总线由DSP电路(1)读取，同时将扩展串口电路(3)接收到的3路陀螺中断信号整合为1路，发送至DSP电路(1)；
所述扩展串口电路(3)接收3路陀螺输出的RS422数据，其每个通道均具备16字节的FIFO，在接收完一帧陀螺数据后给出对应通道的中断信号，可以大大减少中断次数；DSP电路(1)收到CPLD电路(2)整合的中断信号后，通过第二并行总线依次读取3路陀螺的数据；
所述AD采样电路(4)采集3路加计的温度输出，同时通过分压电路采集二次电源的4路检测电压，DSP电路(1)通过SPI总线，以轮询的方式依次读取7路AD采样电路(4)的结果；考虑到AD采样转换时间较长，而加计的温度数据与二次电源的检测电压不需要与其他数据实时对应，滞后一个采样周期也不会造成影响，因此使用发送完IMU数据后再读取AD采样结果的方式，可以有效提高IMU数据采集的速度；
所述隔离串口电路(5)采用集成芯片，通过磁耦的方式实现输入侧与输出侧的电气隔离，降低数据采集电路结构与外界电路的相互干扰，而且该隔离串口电路采用单侧供电模式，不需要外界进行供...
【专利技术属性】
技术研发人员：王玮，高鹏宇，张谦，王蕾，王学运，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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