一種基于fpga的微小型慣性測量單元的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于FPGA的微小型慣性測量單元，由三軸MEMS加速度計(jì)模塊實(shí)時(shí)感知載體X、Y、Z三個(gè)軸向的加速度信息傳送到信號(hào)處理器；三軸MEMS陀螺儀模塊實(shí)時(shí)感知載體X、Y、Z三個(gè)軸向的角速度信息傳送到信號(hào)處理器；溫度傳感器模塊感知載體周圍的環(huán)境溫度信息傳送到信號(hào)處理器；信號(hào)處理器對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定和補(bǔ)償，由RS232電平轉(zhuǎn)換模塊將載體的加速度和角速度信息轉(zhuǎn)換成符合RS232協(xié)議的格式發(fā)送出去。以FPGA芯片作為系統(tǒng)信號(hào)處理器，減少運(yùn)行周期和硬件誤差；外圍芯片少，利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化。采用數(shù)字式傳感器，有效提高抗干擾能力和測量精度。傳感器并行運(yùn)行，利于時(shí)間對(duì)準(zhǔn)和測量一致性，可減小測量誤差。
【專利說明】—種基于FPGA的微小型慣性測量單元
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種基于FPGA的微小型慣性測量單元，屬于電路【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0003]隨著微型制造技術(shù)和MEMS技術(shù)發(fā)展，以新一代微型MEMS陀螺儀和MEMS加速度計(jì)為基礎(chǔ)的MEMS微小型測量單元迅速發(fā)展起來，廣泛應(yīng)用在微型飛行器、微小機(jī)器人、個(gè)人導(dǎo)航定位設(shè)備、輔助GPS導(dǎo)航等領(lǐng)域。
[0004]傳統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是利用DSP或單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理，但是單片機(jī)在算法實(shí)現(xiàn)上速度較慢，無法滿足系統(tǒng)高速實(shí)時(shí)的要求，DSP雖然在算法實(shí)現(xiàn)上較快，但外圍電路較復(fù)雜，需要配置較多的邏輯轉(zhuǎn)換等器件，增加的芯片數(shù)量不易滿足系統(tǒng)小型化的要求，同時(shí)這些方案存在開發(fā)周期比較長，不能針對(duì)變化、靈活修改硬件設(shè)計(jì)等局限。
[0005]FPGA是現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable GateArray)的縮寫,它采用邏輯單元陣列作為基本單元，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊、輸入輸出模塊和內(nèi)部連線三部分。主要特點(diǎn)有:(I) FPGA利用內(nèi)部邏輯單元陣列組成硬件電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)并行處理能力突出；(2)FPGA具有豐富且可方便配置的I/O端口，使電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)布局布板更加便利簡潔；(3) FPGA可以進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，方便模塊的復(fù)用，特別是IP核的利用，使系統(tǒng)開發(fā)更加靈活方便。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)一種以FPGA為核心的全數(shù)字式慣性測量單元，可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力，并且更利于系統(tǒng)的小型化和集成化。
[0007]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:
一種基于FPGA的微小型慣性測量單元，其特征是，包括三軸MEMS加速度計(jì)模塊、三軸MEMS陀螺儀模塊、溫度傳感器模塊、信號(hào)處理器、RS232電平轉(zhuǎn)換模塊及電源管理模塊；
電源管理模塊為其他所有模塊提供供電電壓；
三軸MEMS加速度計(jì)模塊實(shí)時(shí)感知載體X、Y、Z三個(gè)軸向的加速度信息，并實(shí)時(shí)傳送到信號(hào)處理器；
三軸MEMS陀螺儀模塊實(shí)時(shí)感知載體Χ、Υ、Ζ三個(gè)軸向的角速度信息，并實(shí)時(shí)傳送到信號(hào)處理器；
溫度傳感器模塊感知載體周圍的環(huán)境溫度信息，并實(shí)時(shí)傳送到信號(hào)處理器；
信號(hào)處理器對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定和補(bǔ)償，由RS232電平轉(zhuǎn)換模塊將載體的加速度和角速度信息轉(zhuǎn)換成符合RS232協(xié)議的格式發(fā)送出去。
[0008]所述信號(hào)處理器即FPGA芯片，利用VerilogHDL語言在FPGA芯片上實(shí)現(xiàn)信息采集接口、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)，并且對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定和補(bǔ)償。
[0009]信號(hào)處理模塊包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理模塊、標(biāo)定與溫度補(bǔ)償模塊、帶有發(fā)送FIFO和接收FIFO的UART模塊，以及多個(gè)SPI接口。
[0010]信號(hào)處理模塊與三軸MEMS加速度計(jì)模塊、三軸MEMS陀螺儀、溫度傳感器模塊之間采用SPI通訊協(xié)議通信，SPI接口包括片選信號(hào)、串行時(shí)鐘輸入，主輸入從輸出、主輸出從輸入四個(gè)端口，信號(hào)處理模塊作為SPI通信的主機(jī)，給出片選信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和控制字。
[0011]帶有發(fā)送FIFO和接收FIFO的UART模塊實(shí)現(xiàn)慣性數(shù)據(jù)的暫存和RS232格式輸出。
[0012]數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理模塊對(duì)三軸MEMS加速度計(jì)模塊和三軸MEMS陀螺儀感知的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析；
標(biāo)定與溫度補(bǔ)償模塊對(duì)零偏、刻度因子非線性、安裝誤差和溫度補(bǔ)償進(jìn)行處理。模塊根據(jù)標(biāo)定試驗(yàn)測得的慣性測量單元三個(gè)軸向的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)誤差系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。
[0013]本發(fā)明所達(dá)到的有益效果:
(I)以FPGA芯片作為系統(tǒng)信號(hào)處理器，以其并行運(yùn)算的優(yōu)點(diǎn)，減少系統(tǒng)運(yùn)行周期，減少了系統(tǒng)的硬件誤差。系統(tǒng)外圍芯片少，利于實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的小型化。
[0014](2)系統(tǒng)全部采用數(shù)字式傳感器，板上信號(hào)均為數(shù)字信號(hào)，可以有效提高系統(tǒng)的抗干擾能力，提高系統(tǒng)的測量精度。
[0015](3)系統(tǒng)利用FPGA的豐富的1 口資源，設(shè)計(jì)多個(gè)SPI接口，是所有的傳感器均并行運(yùn)行，同時(shí)啟動(dòng)采集外界信息，可以提高測量的時(shí)間一致性，減少量測誤差。
[0016]所有的傳感器均并行運(yùn)行，利于系統(tǒng)的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)和測量一致性，可以減小系統(tǒng)的測量誤差。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1慣性測量單元原理框圖；
圖2信號(hào)處理模塊原理框圖；
圖3加速度計(jì)模塊電路圖；
圖4陀螺儀模塊電路圖；
圖5溫度傳感器模塊電路圖；
圖6RS232電平轉(zhuǎn)換模塊電路圖；
圖7信號(hào)處理器模塊電路圖；
圖8電源管理模塊電路圖；
圖9標(biāo)定補(bǔ)償?shù)牧鞒虉D。

【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0019]本發(fā)明中的慣性測量單元原理框圖如圖1所示,系統(tǒng)由MEMS加速度計(jì)模塊、MEMS陀螺儀模塊、溫度傳感器模塊、信號(hào)處理器(FPGA)、RS232電平轉(zhuǎn)換模塊及電源管理模塊組成。
[0020]電源管理模塊提供整個(gè)系統(tǒng)所需的穩(wěn)定電壓，保證各模塊的供電正常；MEMS加速度計(jì)模塊實(shí)時(shí)感知載體X、Y、Z三個(gè)軸向的加速度信息；MEMS陀螺儀模塊實(shí)時(shí)感知載體X、Y、Z三個(gè)軸向的角速度信息；溫度傳感器模塊感知載體周圍的環(huán)境溫度信息；以上所有的信息均實(shí)時(shí)的傳送至信號(hào)處理器。信號(hào)處理器首先采集到各個(gè)傳感器信息，然后根據(jù)事先測定的加速度計(jì)、陀螺儀的特征參數(shù)，對(duì)加速度計(jì)和陀螺儀的輸出進(jìn)行標(biāo)定和補(bǔ)償，這些標(biāo)定和補(bǔ)償包括零偏、刻度因子非線性、安裝誤差、溫度補(bǔ)償?shù)?，最后信?hào)處理器將載體的加速度和角速度信息轉(zhuǎn)換成符合RS232協(xié)議的格式發(fā)送出去。由于信號(hào)處理器輸出的是TTL電平，所以需要RS232電平轉(zhuǎn)換模塊完成電平轉(zhuǎn)換。
[0021]信號(hào)處理器全由FPGA實(shí)現(xiàn)，利用VerilogHDL語言在FPGA上實(shí)現(xiàn)信息采集接口，數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)，陀螺儀和加速度計(jì)標(biāo)定補(bǔ)償以及相關(guān)的時(shí)序邏輯功能等。圖2為信號(hào)處理器的原理框圖。
[0022]加速度計(jì)、陀螺儀和溫度傳感器與FPGA之間采用SPI通訊協(xié)議通信，SPI接口包括片選(CS)信號(hào)，時(shí)鐘輸入(SCK)，主輸入從輸出(MISO)，主輸出從輸入(MOSI)等四個(gè)端口，F(xiàn)PGA作為SPI通信的主機(jī)，給出片選信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和控制字，讀寫操作按照加速度計(jì)、陀螺儀和溫度傳感器指定的格式進(jìn)行。集成了發(fā)送FIFO和接收FIFO的UART接口實(shí)現(xiàn)慣性數(shù)據(jù)的暫存和RS232格式輸出。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理模塊對(duì)三軸加速度計(jì)和陀螺儀數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，以利于對(duì)它們進(jìn)行標(biāo)定和補(bǔ)償。標(biāo)定與溫度補(bǔ)償模塊是信號(hào)處理器的核心，在此完成零偏、刻度因子非線性、安裝誤差、溫度補(bǔ)償?shù)忍幚恚行岣呦到y(tǒng)的測量精度。
[0023]標(biāo)定與溫度補(bǔ)償模塊對(duì)零偏、刻度因子非線性、安裝誤差和溫度補(bǔ)償進(jìn)行處理。模塊根據(jù)標(biāo)定試驗(yàn)測得的慣性測量單元三個(gè)軸向的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)誤差系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，標(biāo)定補(bǔ)償?shù)牧鞒虉D如圖9所不。
[0024]陀螺儀為數(shù)字式輸出的三軸MEMS陀螺儀，加速度計(jì)為數(shù)字式輸出的三軸MEMS加速度計(jì)，溫度傳感器為數(shù)字式輸出的溫度傳感器。
[0025]各部分硬件電路實(shí)現(xiàn)如下:
MEMS加速度計(jì)電路及與FPGA模塊的互連如圖3所示。由ADXL346三軸加速度計(jì)N2、電容Cl、C2、及FPGA模塊NlA的六個(gè)I/O 口組成。三軸加速度計(jì)N2實(shí)時(shí)采集三個(gè)軸向的加速度信息并由SPI接口輸出，F(xiàn)PGA模塊NlA的四個(gè)I/O 口(引腳7、8、9、24)由VerilogHDL編程實(shí)現(xiàn)SPI接口協(xié)議，并根據(jù)三軸加速度計(jì)N2輸出的中斷信號(hào)(INT1、INT2)時(shí)序獲取三軸陀螺儀N3輸出的加速度信息。
[0026]MEMS陀螺儀電路及與FPGA模塊的互連如圖4所示。由L3G4200D三軸陀螺儀N3、電容C41、C42、C43、C44、及FPGA NlB的五個(gè)I/O 口組成。三軸陀螺儀N3實(shí)時(shí)采集三個(gè)軸向的角速度信息并由SPI接口輸出，F(xiàn)PGA模塊NlB的四個(gè)I/O 口(引腳30、41、42、43)由VerilogHDL編程實(shí)現(xiàn)SPI接口協(xié)議，并根據(jù)三軸陀螺儀N3輸出的中斷信號(hào)(DRDY/INT2)時(shí)序獲取三軸陀螺儀N3輸出的角速度信息。
[0027]MEMS溫度傳感器模塊電路及與FPGA模塊的互連如圖5所示。由AD7814ART溫度傳感器N4、電容C30、及FPGA模塊NlE的四個(gè)I/O 口組成。溫度傳感器N4實(shí)時(shí)采集環(huán)境溫度信息并由SPI接口輸出，F(xiàn)PGA模塊NlE的四個(gè)I/O 口(引腳45、47、48、50)由VerilogHDL編程實(shí)現(xiàn)SPI接口協(xié)議，實(shí)時(shí)讀取溫度信息。
[0028]RS232電平轉(zhuǎn)換模塊電路及與FPGA模塊的互連如圖6所示。由MAX3232E電平轉(zhuǎn)換芯片N5、電容C11、C12、C13、C14、C15、及FPGA模塊NlD的四個(gè)I/O 口組成。FPGA模塊NlD的四個(gè)I/O 口(引腳52、53、55、57)由VerilogHDL編程實(shí)現(xiàn)RS232接口的接收和發(fā)送協(xié)議，將三軸的慣性信息及溫度信息發(fā)送至MAX3232E電平轉(zhuǎn)換芯片N5，通過電平轉(zhuǎn)換將信息發(fā)送給導(dǎo)航計(jì)算機(jī)使用。
[0029]信號(hào)處理模塊負(fù)責(zé)采集所有傳感器的數(shù)據(jù)，并根據(jù)加速度計(jì)和陀螺儀測試的結(jié)果對(duì)它們進(jìn)行標(biāo)定，同時(shí)根據(jù)溫度信息對(duì)三軸加速度及角速度信息進(jìn)行全溫補(bǔ)償，然后按照RS232協(xié)議三軸加速度及角速度信息輸出至導(dǎo)航計(jì)算機(jī)。該模塊主要由FPGA芯片及其外圍電路組成，電路圖如圖7所示。圖中N6 (EPCS4SI8)為FPGA的配置芯片；N7(LTC1799HS5)和電阻R9、R10、電容C20、C21構(gòu)成FPGA的外接晶振電路，為FPGA提供20MHz的時(shí)鐘信號(hào)；Jl是FPGA的JTAG端，是下載和配置程序的接口。
[0030]電源管理模塊的功能是為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源，由于FPGA芯片需要+3.3V和+1.2V兩種電源，所以系統(tǒng)采用TI公司的TPS70345電壓調(diào)整芯片N8，整個(gè)模塊的電路圖如圖8所示，由TPS70345電壓調(diào)整芯片，電阻Rl、R2、R3、R4及電容C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10 組成。
[0031]以上各圖中的FPGA模塊N1A、NIB, N1E、NlD均顯示的是同一 FPGA模塊的部分引腳與其他各模塊之間的連接關(guān)系。
[0032]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于FPGA的微小型慣性測量單元，其特征是，包括三軸MEMS加速度計(jì)模塊、三軸MEMS陀螺儀模塊、溫度傳感器模塊、信號(hào)處理器、RS232電平轉(zhuǎn)換模塊及電源管理模塊； 電源管理模塊為其他所有模塊提供供電電壓； 三軸MEMS加速度計(jì)模塊實(shí)時(shí)感知載體X、Y、Z三個(gè)軸向的加速度信息，并實(shí)時(shí)傳送到信號(hào)處理器； 三軸MEMS陀螺儀模塊實(shí)時(shí)感知載體Χ、Υ、Ζ三個(gè)軸向的角速度信息，并實(shí)時(shí)傳送到信號(hào)處理器； 溫度傳感器模塊感知載體周圍的環(huán)境溫度信息，并實(shí)時(shí)傳送到信號(hào)處理器； 信號(hào)處理器對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定和補(bǔ)償，由RS232電平轉(zhuǎn)換模塊將載體的加速度和角速度信息轉(zhuǎn)換成符合RS232協(xié)議的格式發(fā)送出去。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的微小型慣性測量單元，其特征是，所述信號(hào)處理器即FPGA芯片，利用VerilogHDL語言在FPGA芯片上實(shí)現(xiàn)信息采集接口、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)，并且對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定補(bǔ)償。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的微小型慣性測量單元，其特征是， 信號(hào)處理模塊包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理模塊、標(biāo)定與溫度補(bǔ)償模塊、帶有發(fā)送FIFO和接收FIFO的UART模塊，多個(gè)SPI接口模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于FPGA的微小型慣性測量單元，其特征是， 信號(hào)處理模塊與三軸MEMS加速度計(jì)模塊、三軸MEMS陀螺儀、溫度傳感器模塊之間采用SPI通訊協(xié)議通信，SPI接口包括片選信號(hào)、串行時(shí)鐘輸入，主輸入從輸出、主輸出從輸入四個(gè)端口，信號(hào)處理模塊作為SPI通信的主機(jī)，給出片選信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和控制字。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于FPGA的微小型慣性測量單元，其特征是， 帶有發(fā)送FIFO和接收FIFO的UART接口模塊實(shí)現(xiàn)慣性數(shù)據(jù)的暫存和RS232格式輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于FPGA的微小型慣性測量單元，其特征是， 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理模塊對(duì)三軸MEMS加速度計(jì)模塊和三軸MEMS陀螺儀感知的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析； 標(biāo)定與溫度補(bǔ)償模塊對(duì)零偏、刻度因子非線性、安裝誤差和溫度誤差進(jìn)行補(bǔ)償處理。
【文檔編號(hào)】G01C21/16GK104359481SQ201410635870
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月12日
【發(fā)明者】黃艷輝, 張憲起, 高玉霞 申請(qǐng)人:中國兵器工業(yè)集團(tuán)第二一四研究所蘇州研發(fā)中心