摘要：針對(duì)微型慣性測(cè)量組合動(dòng)態(tài)范圍寬、高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的要求，設(shè)計(jì)了一種新型的數(shù)據(jù)采集方法，該方法具有高、量程寬、速度快的優(yōu)點(diǎn)。著重介紹了這種方法的電路實(shí)現(xiàn)，通過(guò)跑車(chē)試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)解算各個(gè)姿態(tài)參數(shù)完全符合系統(tǒng)的要求，可廣泛用于彈載姿態(tài)測(cè)試和組合導(dǎo)航系統(tǒng)中。

　　0 引言

　　隨著MEMS 技術(shù)的迅速發(fā)展，相應(yīng)的以MEMS 技術(shù)為依托的MIMU 也相應(yīng)的產(chǎn)生，由于MIMU 動(dòng)態(tài)范圍大、高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的壓頻轉(zhuǎn)換法（V/F）和流頻轉(zhuǎn)換法（I/F）以 不能適應(yīng)MIMU 的這些特點(diǎn)，而且代價(jià)昂貴，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜。本文設(shè)計(jì)了一種新型的數(shù)據(jù)采 集方法，具有高、量程寬、速度快的優(yōu)點(diǎn)。

　　1 系統(tǒng)概述

　　由于微型慣性測(cè)量組合采用的是電壓輸出量，本系統(tǒng)采集過(guò)程如下：陀螺儀和加速度計(jì) 信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣預(yù)處理后等待進(jìn)行轉(zhuǎn)換，開(kāi)始先進(jìn)行初始化，其中可編程放大器增益預(yù)設(shè)為1， 現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)經(jīng)LF398 采樣保持放大器送由AD526 構(gòu)成的可編程增益放大器，放大后信號(hào)經(jīng) A／D 轉(zhuǎn)換先不送存儲(chǔ)器而是經(jīng)總線(xiàn)送導(dǎo)航計(jì)算機(jī)。由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)在軟件中判斷此信號(hào)是否 應(yīng)該調(diào)整，若不需調(diào)整增益則將此信號(hào)值存入存儲(chǔ)器中，否則根據(jù)計(jì)算得到的合適增益控制 字，送AD526 調(diào)整增益，再進(jìn)行A／D 轉(zhuǎn)換井緩存。系統(tǒng)通過(guò)中斷、DMA 傳輸數(shù)據(jù)給導(dǎo) 航計(jì)算機(jī)進(jìn)行姿態(tài)解算，到系統(tǒng)的姿態(tài)信息。采集系統(tǒng)的方框圖如圖1 所示其詳細(xì)電路原理 將分模塊介紹。

　　1.1 采樣信號(hào)預(yù)處理

　　在慣性姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中，陀螺儀和加速度計(jì)的輸出信號(hào)具有信號(hào)微弱、干擾大、噪音 多等特點(diǎn)，在進(jìn)行采樣之前必須先進(jìn)行預(yù)處理。

　　1.1.1 濾波器設(shè)計(jì)

　　固態(tài)小型慣性姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算的依據(jù)是慣性敏感元件的輸出，而其輸出中往住包含 有隨機(jī)噪聲，因此需要對(duì)敏感元件的輸出進(jìn)行預(yù)采樣濾波，以削弱高次諧波或頻率較高的干 擾和噪聲，來(lái)保證系統(tǒng)的度。比較無(wú)源濾波電路，由集成運(yùn)放和RC 網(wǎng)絡(luò)組成的有源濾 波電路有很多優(yōu)點(diǎn)，我們選擇用有源低通濾波電路進(jìn)行濾波處埋。常用的有源濾波電路是 二階壓控電壓電源式和無(wú)限增益多路反饋式兩種。前者的反饋引至運(yùn)放的同相輸入端，如果 參數(shù)不合適將產(chǎn)生自激振蕩，后者的反饋引至運(yùn)放的反相輸入端，則避免了因通帶電壓放大 倍數(shù)過(guò)大而產(chǎn)生自激振蕩，性能穩(wěn)定，所以我們采用后者。因此設(shè)計(jì)了一種butterworth 的低通濾波器，我們采用了高運(yùn)算放大器OP491 作為其中的運(yùn)放而無(wú)限增益反饋濾波電 路對(duì)信號(hào)進(jìn)行了反相處理，我們?cè)谟靡粋€(gè)反相比例電路將其再反相回來(lái)才是真實(shí)信號(hào)。

　　1.1.2 系統(tǒng)信號(hào)采樣保持電路

　　模擬信號(hào)進(jìn)行A／D 轉(zhuǎn)換時(shí)，從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出數(shù)字量，需要一定地轉(zhuǎn)換時(shí)間， 在這個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，模擬信號(hào)要基本保持不變。在這里用到的采樣／保持器是LF398，LF938 是美國(guó) National Semiconductor 公司生產(chǎn)的，它由A1、A2 兩個(gè)運(yùn)算放大器、模擬開(kāi)關(guān)和 開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、三極管D1 和 D2 構(gòu)成的保護(hù)電路等組成。它采用 8 腳雙列直插或金屬管殼 式封裝。

　　本慣性姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中，三個(gè)陀螺儀和三個(gè)加速度計(jì)的信號(hào)共有六路，這六路信號(hào)分別 接入采樣/保持器LF398 的3 引腳。六個(gè)LF398 的8 引腳先連在一起都接到CPLD 的引腳，用 來(lái)啟動(dòng)采樣保持。

　　1.2 系統(tǒng)信號(hào)可編程增益放大電路

　　在本系統(tǒng)中由于陀螺儀的動(dòng)態(tài)輸出范圍很寬，為了提高系統(tǒng)的分辨率，通常的做法是增 加量化位數(shù)。然而普通的高位A／D 在轉(zhuǎn)換和速度上總是難以兼顧，因此有必要設(shè)計(jì)低 成本的大動(dòng)態(tài)范圍高速數(shù)據(jù)采集器。我們可以采用可編程放大器（PGA）先將陀螺儀信號(hào)根 據(jù)要求自動(dòng)調(diào)整到合適A／D 轉(zhuǎn)換的輸入范圍，然后再進(jìn)行A／D 轉(zhuǎn)換這樣可有效保證在 小信號(hào)輸入時(shí)的轉(zhuǎn)換，擴(kuò)大了采集系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。

　　AD652 是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的一種單端可編程增益放大器，其數(shù)字化可編程二進(jìn)制 增益從l、2、4、8 到l6，兩片級(jí)聯(lián)后可實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制增益到32、64、128、256。AD652 內(nèi)部 包括調(diào)漂移BIFET 放大器、激光晶片平衡電阻網(wǎng)絡(luò)、JFET 模擬開(kāi)關(guān)和TTL 兼容的增益編碼 鎖存器。 本系統(tǒng)采用了兩片AD526 它們級(jí)聯(lián)后可實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制增益l、2、4、8、16、32、64、128、 256，以滿(mǎn)足系統(tǒng)的寬動(dòng)態(tài)范圍。

　　1.3 系統(tǒng)信號(hào)A/D 轉(zhuǎn)換電路

　　陀螺儀和加速度計(jì)信號(hào)共有6 路，還有其它信號(hào)如溫控信號(hào)等，這些信號(hào)也要進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，且共用一路A/D 轉(zhuǎn)換器，通常用模擬多路開(kāi)關(guān)將多路被測(cè)信號(hào)分別傳送到轉(zhuǎn)換器進(jìn)行 轉(zhuǎn)換。AD7501 是一種有譯碼器的多路CMOS 開(kāi)關(guān)，它是一個(gè)完整的16 位逐次逼近式帶三態(tài) 緩沖器的A／D 轉(zhuǎn)換器，它可以直接與8 位或16 位微機(jī)總線(xiàn)進(jìn)行接口可以滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。它 具有8 個(gè)輸入通道（S1S8）、一個(gè)輸出通道（OUT）有三個(gè)地址線(xiàn)（A0、A1、A2）及使能端 EN 的狀態(tài)來(lái)選擇8 個(gè)輸入通道之一與輸出端導(dǎo)通。片上所有的邏輯輸入與TTL/DTL 及CMOS 電路兼容。

　　ADS7805 的完整操作過(guò)程是由啟動(dòng)轉(zhuǎn)換和讀數(shù)據(jù)兩部分組成。和兩根信號(hào)線(xiàn)CS 和R/C 控制看整個(gè)操作時(shí)序。由于CS 和 R／C 在芯片內(nèi)部是邏輯或的關(guān)系，使得ADS7805 的使 用靈活。R／C 的下降沿將啟動(dòng)新的轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換的同時(shí)將輸出前轉(zhuǎn)換的結(jié)果在轉(zhuǎn) 換結(jié)束之后，輸出本次轉(zhuǎn)換結(jié)果。

　　1.4 CPLD 數(shù)據(jù)接口電路

　　CPLD 在整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的功能模塊包括分頻模塊、AD 控制觸模塊、FIFO 模塊、程 控增益放大控制模塊和數(shù)據(jù)通道模塊，所有這些都通過(guò)CPLD 技術(shù)實(shí)現(xiàn)，是用原理圖和VHDL 混合編程實(shí)現(xiàn)其邏輯電路功能。 本系統(tǒng)將CPLD 設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的定時(shí)輸出信號(hào)（OUT）與A/D 轉(zhuǎn)換器ADS7805 的啟動(dòng) 信號(hào)輸入腳R／C 相連，由計(jì)數(shù)／定時(shí)器的定時(shí)輸出脈沖啟動(dòng)A／D 轉(zhuǎn)換，A／D 轉(zhuǎn)換結(jié)束信 號(hào) （EOC）與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的中斷輸入IRQ 相連, A／D 轉(zhuǎn)換完成后即發(fā)出中斷信號(hào)，進(jìn)入中 斷服務(wù)程序，由服務(wù)程序?qū)⑥D(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)寫(xiě)入內(nèi)存或數(shù)組。

　　2 系統(tǒng)軟件的編寫(xiě)

　　本系統(tǒng)是高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如果用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每傳送一個(gè)數(shù)據(jù)都要進(jìn)行中 斷響應(yīng)、保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)、進(jìn)入中斷服務(wù)程序、結(jié)束中斷時(shí)恢復(fù)觀(guān)場(chǎng)、返回主程序等工作這不僅降 了速度，而且是一些重復(fù)件的工作，所以對(duì)于高速數(shù)據(jù)采集，用中斷方式發(fā)揮不了高速A／ D 轉(zhuǎn)換的效益，必須用DMA 方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。用DMA 方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通常采用定時(shí)器， 當(dāng)定時(shí)器計(jì)時(shí)到了時(shí)間，則發(fā)出輸出錯(cuò)啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換。A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)通過(guò)DMA 方式傳送到 存儲(chǔ)器規(guī)定的單元，當(dāng)所有數(shù)據(jù)全部采樣結(jié)束后，發(fā)出中斷信號(hào)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，有中斷 服務(wù)程序?qū)⒋鎯?chǔ)器的數(shù)據(jù)讀到指定的數(shù)組或磁盤(pán)上，或進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。其傳輸過(guò)程一般是這 樣的：A/D 采集板上的定時(shí)器定時(shí)到，啟動(dòng)A／D 轉(zhuǎn)換，A／D 轉(zhuǎn)換結(jié)束后向系統(tǒng)板上的DMA 控制器發(fā)出請(qǐng)求DMA 傳輸信號(hào)DREQ，DMA 送DACK 信號(hào)，將轉(zhuǎn)換結(jié)果寫(xiě)入指定的內(nèi)存單元， DACK 信號(hào)清除接口的DREQ 信號(hào)，等待再次DMA 請(qǐng)求，以進(jìn)行第二次DMA 傳送，此過(guò)程反復(fù) 進(jìn)行，直到DMA 的字?jǐn)?shù)計(jì)數(shù)器達(dá)到終值，然后DMA 發(fā)出計(jì)數(shù)結(jié)束信號(hào)C／T，產(chǎn)生中斷，由 中斷服務(wù)程序?qū)MA 傳送到內(nèi)存的數(shù)據(jù)讀到數(shù)組或?qū)懙酱疟P(pán)上，或進(jìn)行處理。系統(tǒng)A/D 轉(zhuǎn)換 采樣流程圖如下所示：

　　3 系統(tǒng)性能分析

　　首先討論系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)采集范圍。由于A(yíng)DS7508 的非線(xiàn)性誤差為正負(fù)3LSB，故能保 證轉(zhuǎn)換結(jié)果的前14 位數(shù)為有效值，又滿(mǎn)量程輸入為10V,程控放大器的放大倍數(shù)為 1000 時(shí)，此時(shí)陀螺儀信號(hào)采集系統(tǒng)的分辨數(shù)值LSB 為：

　　點(diǎn)放大電路，擴(kuò)大了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍，大大減小了信號(hào)轉(zhuǎn)換的量化誤差，有效地解決了IMU 信號(hào)動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍寬的問(wèn)題。

　　ADS7805 每完成轉(zhuǎn)換至少需要5μ s的時(shí)間，這對(duì)單指令周期為10ns 的PC104來(lái)說(shuō)， 每次A/D 轉(zhuǎn)換期間可執(zhí)行500 條指令，能夠完成濾波和其它相關(guān)的任務(wù)。因此，六個(gè)通道并 行運(yùn)行時(shí)，每個(gè)通道的采集速率大于66.7Ksps,本系統(tǒng)具有很好的實(shí)時(shí)性能。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文對(duì)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集原理進(jìn)行了介紹，并在工程實(shí)踐中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了陀 螺儀和加速度計(jì)信號(hào)的濾波、采樣保持、可編程增益放大和A／D 轉(zhuǎn)換，并用CPLD 技術(shù)實(shí)現(xiàn) 了采樣后的數(shù)字信號(hào)和總線(xiàn)的接口電路。從上面的分析可知該微型慣性測(cè)量組合具有動(dòng)態(tài)范 圍大、實(shí)時(shí)性能好、測(cè)量高的優(yōu)點(diǎn)，滿(mǎn)足了姿態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的要求。該技術(shù)也可推廣到其 他信號(hào)變化范圍大、實(shí)時(shí)性要求高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：隨著MEME 技術(shù)的發(fā)展，以MEMS 技術(shù)為支撐的微小慣性測(cè)量組件也 相應(yīng)的產(chǎn)生，由于其動(dòng)態(tài)范圍大，零漂大，信號(hào)不穩(wěn)定等特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種帶有濾波功 能，并帶有可編程控制調(diào)節(jié)增益的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這套系統(tǒng)可以克服MIMU 動(dòng)態(tài)范圍大、零 漂大、信號(hào)不穩(wěn)定的特點(diǎn)。