一种十轴惯性测量装置制造方法及图纸

本专利提出了一种十轴惯性测量装置，属于传感器领域。首先本发明专利技术设计了一种MEMS陀螺仪的信号调理电路，补偿陀螺仪的检测谐振峰值，并抑制高频噪声，实现MEMS惯性传感器模拟信号的高精度AD采样。在此基础上，本专利设计了一种基于MEMS的十轴惯性测量装置，采用MCU+DSP架构，可以实现三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计、气压计的高频采样和处理，DSP负责传感器数据处理和航姿计算，MCU作为控制器，控制DSP工作模式、低功耗和时间同步。低功耗和时间同步。低功耗和时间同步。

【技术实现步骤摘要】
一种十轴惯性测量装置


[0001]本专利技术属于传感器领域，特别是基于MEMS的十轴惯性测量装置。

技术介绍

[0002]MEMS(Micro
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Electro Mechanical Systems微机电系统)惯性传感器是目前应用最广泛的惯性传感器，具有体积小、功耗低、成本低的特点，包括陀螺仪、加速度计。陀螺仪测量轴向的旋转角速率，加速度计测量轴向的线性加速度。MEMS惯性传感器分为消费级、工业级和战术级等类型，消费级传感器性能较差，环境适应能力弱，主要用于航模玩具、手机、游戏机等；工业级器件的精度比战术级器件低，这两类传感器目前均以单轴模拟器件为主流，典型的产品包括ADI公司的ADXRS系列陀螺仪、ADXL系列加速度计等。模拟器件输出的信号为模拟信号，需要经过信号调理电路、AD采样电路处理后，转成数字信号并由嵌入式处理器做进一步的补偿和算法运算，目前市面上的产品大多数只在传感器输出端加一个滤波器抑制噪声，如专利CN212030559U所述的惯性测量单元，是ADC采样之后做滤波运算，无法对传感器的检测谐振峰值进行补偿。
[0003]对于高性能的惯性测量系统，所有的传感器应保持同步采样，目前如专利CN205981227U采用多通道模拟开关，各个通道采样数据有时间偏差，算法运算的结果受此影响将产生较大误差。同时，高性能惯性测量系统要求的采样率通常在10kHz以上，负责采样控制的中央处理器，不仅应支持10kHz以上的采样频率，还应具有强大的算力以支持在采样周期内完成采样结果的电压转物理量运算、参数补偿和算法运算。此外，工业级或战术级的惯性测量系统应具有丰富且可靠的通信接口，以应对复杂的工作环境和调试需求。
[0004]即使是战术级的MEMS传感器，也无法只通过自身数据解算获得航向和高程信息。陀螺罗盘是一种使用陀螺仪获得航向信息的方法，但不能使用MEMS传感器来实现。虽然Yongjian Zhang等在《A Novel MEMS Gyro North Finder Design Based on Rotation Modulation Technique》中提及了一种使用MEMS陀螺仪指北的方法，但这种方法需要经过较长时间静止的寻北应用，无法在动态环境中快速应用。而MEMS加速度计的精度较低，也无法直接获得高程信息。因此，通常为了获得航向信息，还需要在惯性器件基础上增加磁力计传感器，为了获得高程信息，还需要增加气压高度计传感器。

技术实现思路

[0005]本专利提出了一种MEMS陀螺仪的信号调理电路，补偿陀螺仪的检测谐振峰值，并抑制高频噪声，实现MEMS惯性传感器模拟信号的高精度AD采样。在此基础上，设计了一种十轴惯性测量装置。
[0006]本专利技术技术方案为一种陀螺仪系统，该系统包括：第一缓冲器、陀螺仪、谐振补偿电路、第一低通滤波器、第二缓冲器；所述陀螺仪通过数据线依次连接谐振补偿电路、第一低通滤波器、第二缓冲器，第二缓冲器输出陀螺仪三轴模拟信号；陀螺仪通过数据线连接第一缓冲器，第一缓冲器输出陀螺仪三轴温度模拟信号。
[0007]一种包括陀螺仪系统的十轴惯性测量装置，该装置包括：MCU、DSP、温度传感器、气压高度计、磁力计、Flash、ADC、加速度计系统、陀螺仪系统，所述温度传感器数据线与MCU连接；所述DSP通过总线分别与MCU、ADC、Flash连接，并MCU传输时间同步信号给DSP，DSP传输采用控制信号给ADC；所述磁力计和气压高度计分别通过数据线与DSP连接，并磁力计向DSP传输DRDY信号；所述陀螺仪系统通过数据线分别连接DSP和ADC,加速度计系统通过数据线分别连接DSP和ADC；所述陀螺仪系统中第一缓冲器连接DSP，第二缓冲器连接ADC。
[0008]进一步的，所述加速度计系统包括：第一缓冲器、加速度计、第一放大电路、第一低通滤波器、第二放大电路，所述加速度计通过数据线依次连接第一低通滤波器、第二放大电路、ADC，第二放大电路给ADC传输加速度计三轴模拟信号；加速度计通过数据线连接第一放大电路，第一放大电路通过数据线连接ADC,第一放大电路给ADC传输VREF信号；加速度计通过数据线连接第一缓冲器，第一缓冲器通过连接DSP，第一缓冲器传输给DSP加速度计温度模拟信号。
[0009]进一步的，所述温度传感器与MCU之间、磁力计与DSP之间、气压高度计与DSP之间都通过12C中线连接。
[0010]进一步的，所述DSP通过SPI中线与MCU、ADC、Flash连接。
[0011]进一步的，所述MCU设置有外部同步信号接口，UART
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TTL接口、RS232接口、RS485接口、USB接口。
[0012]本专利技术采用微控制单元(MCU)+数字信号处理器(DSP)架构，可以实现三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计、气压计的高频采样和处理，DSP负责传感器数据处理和航姿计算，MCU作为控制器，控制DSP工作模式、低功耗和时间同步。
附图说明
[0013]图1为本专利技术一种基于MEMS的十轴惯性测量装置结构图。
具体实施方式
[0014]本专利采用的是MCU+DSP架构，MCU采用STMF103，负责系统的控制和与外部的接口通信。系统上电后，MCU通过时间同步信号引脚触发DSP工作，通过定时发出时间同步的PPS秒脉冲信号，以同步DSP的时间。当系统工作时，MCU通过SPI发送配置算法信息给DSP，并按照输出频率获取最新的运算结果。MCU提供了USB、UART
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TTL、RS232、RS485等接口。此外，MCU通过I2C总线连接了一个温度传感器TMP112，当检测到环境温度超过设定工作范围时，关断传感器和DSP电源，并向外输出报警信息。
[0015]DSP采用STM32H750作为运算处理器，负责传感器的采样和算法运算。DSP按照自身的时间和配置的频率，通过采样控制信号，控制AD转换器AD7689进行单次AD转换。AD采样完成后，DSP通过SPI获取采样结果，本次转换的所有数据时间戳为采样控制信号输出的时间。为了便于存储必要的标定参数、数学模型参数以及系统运行日志信息，DSP还通过SPI连接了外部Flash芯片。
[0016]MEMS加速度计采用ADI公司的ADXL356三轴加速度计。ADXL356输出的三轴加速度信息和温度信息均为模拟信号。三轴加速度信息首先通过一个低通滤波电路，再连接到运算放大电路进行信号放大，放大倍数为2.7倍。随后，加速度计三轴模拟信号分别进入AD转
换器的模拟信号输入端。加速度计的温度模拟信号则经过一个缓冲器，直接连接到DSP的AD输入引脚，通过DSP自带的ADC模块完成温度采样，触发温度采样的时刻与采样控制信号输出时刻保持一致。ADXL356的模拟电源引脚(V1P8ANA)通过放大电路(放大倍数为2.7)分别连接到AD7689的AD参考电压引脚(Vref)和三个陀螺仪芯片的信号比例输出参考电源引脚(Vratio)。
[0017本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种十轴惯性测量装置，其特征在于，该装置包括：MCU、DSP、温度传感器、气压高度计、磁力计、Flash、ADC、加速度计系统、陀螺仪系统，所述温度传感器数据线与MCU连接；所述DSP通过总线分别与MCU、ADC、Flash连接，并MCU传输时间同步信号给DSP，DSP传输采用控制信号给ADC；所述磁力计和气压高度计分别通过数据线与DSP连接，并磁力计向DSP传输DRDY信号；所述陀螺仪系统通过数据线分别连接DSP和ADC,加速度计系统通过数据线分别连接DSP和ADC；所述陀螺仪系统中第一缓冲器连接DSP，第二缓冲器连接ADC；所述陀螺仪系统包括：第一缓冲器、陀螺仪、谐振补偿电路、第一低通滤波器、第二缓冲器；所述陀螺仪通过数据线依次连接谐振补偿电路、第一低通滤波器、第二缓冲器，第二缓冲器输出陀螺仪三轴模拟信号；陀螺仪通过数据线连接第一缓冲器，第一缓冲器输出陀螺仪三轴温度模拟信号。2.根据权利要求1所述的一种十轴惯性测量装置，其特征在于，所述加速度计系...

【专利技术属性】
技术研发人员：周泽波，沈丹，张泽亮，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：新型
国别省市：