本發(fā)明屬于慣性測(cè)量與控制技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種具有冗余信號(hào)采集策略的MEMS慣性測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

MEMS傳感器是采用微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)制作的傳感器，MEMS慣性傳感器包括陀螺儀和加速度計(jì)，可用于測(cè)量載體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)。該類(lèi)傳感器具有響應(yīng)快、功耗低、耐沖擊和體積小等特點(diǎn)。目前，MEMS陀螺儀的測(cè)量精度最高可達(dá)到1°/h，MEMS加速度計(jì)測(cè)量精度可達(dá)到0.01mg，MEMS傳感器啟動(dòng)時(shí)間可達(dá)到0.1s。

MEMS慣性測(cè)量技術(shù)應(yīng)用存在的主要問(wèn)題是測(cè)量精度不高，只能用于對(duì)精度要求不高或運(yùn)行時(shí)間較短的載體。在慣性測(cè)量系統(tǒng)或慣導(dǎo)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到傳感器選型時(shí)很難選擇到啟動(dòng)時(shí)間和測(cè)量精度均滿(mǎn)足要求的規(guī)格。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種具有冗余信號(hào)采集策略的MEMS慣性測(cè)量裝置，以便在一些要求啟動(dòng)時(shí)間快而且測(cè)量精度較高的使用場(chǎng)合，滿(mǎn)足其特定的啟動(dòng)時(shí)間和測(cè)量精度要求。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：具有冗余信號(hào)采集策略的MEMS慣性測(cè)量裝置，其特征是:至少包括：安裝在裝置基座內(nèi)的快速啟動(dòng)MEMS傳感器模塊、高精度MEMS傳感器模塊、微處理器單元、電源模塊、SPI數(shù)據(jù)采集模塊、CAN通訊隔離驅(qū)動(dòng)模塊，微處理器單元是裝置的核心，快速啟動(dòng)MEMS傳感器模塊和高精度MEMS傳感器模塊通過(guò)SPI數(shù)據(jù)采集模塊與微處理器單元電連接，微處理器單元為SPI通訊主機(jī)，快速啟動(dòng)MEMS傳感器模塊和高精度MEMS傳感器模塊為SPI通訊從機(jī)；SPI數(shù)據(jù)采集模塊包括快速啟動(dòng)MEMS傳感器模塊、高精度MEMS傳感器模塊及微處理器單元的SPI接口；CAN通訊隔離驅(qū)動(dòng)模塊和微處理器單元的CAN接口相連；電源模塊為微處理器單元、快速啟動(dòng)MEMS傳感器模塊和高精度MEMS傳感器模塊提供3.3V直流電壓，為CAN通訊隔離驅(qū)動(dòng)模塊提供5V和CAN5V兩組完全獨(dú)立的直流電。

所述的裝置基座是慣性測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)的主體，其外形尺寸為59x69x38mm，材料為A12，裝置基座內(nèi)部安裝快速啟動(dòng)MEMS傳感器模塊、高精度MEMS傳感器模塊和信號(hào)處理電路板；快速啟動(dòng)MEMS傳感器模塊安裝在裝置基座的內(nèi)部右側(cè)面，高精度MEMS傳感器模塊安裝在裝置基座的底部,輸入輸出連接器固定在裝置基座的外部左側(cè)面,信號(hào)處理電路板上包括微處理器單元、電源模塊、SPI數(shù)據(jù)采集模塊和CAN通訊隔離驅(qū)動(dòng)模塊，信號(hào)處理電路板通過(guò)螺釘安裝在裝置蓋板內(nèi)表面；帶信號(hào)處理電路板的裝置蓋板內(nèi)通過(guò)螺釘安裝在裝置基座的上端。

所述的電源模塊包括5V/5W穩(wěn)壓電源模塊、3.3V三端穩(wěn)壓器和5V/1W穩(wěn)壓電源模塊，其中5V/5W穩(wěn)壓電源模塊選用24S05-5W，3.3V三端穩(wěn)壓器選用78D33，5V/1W穩(wěn)壓電源模塊選用B0505S-1W，外部直流電源經(jīng)5V/5W穩(wěn)壓電源模塊穩(wěn)壓產(chǎn)生5V電源，5V電源再經(jīng)過(guò)3.3V三端穩(wěn)壓器產(chǎn)生3.3V電源，5V電源還經(jīng)過(guò)5V/1W穩(wěn)壓電源模塊產(chǎn)生3.3V電源，電源模塊的額定功率為3W。

所述的快速啟動(dòng)MEMS傳感器模塊選用ADI的ADIS16448傳感器組合，高精度MEMS傳感器選用ADI的ADIS16485傳感器組合，微處理器單元選用32位微處理器STM32F103,SPI通訊降噪模塊選用120歐姆電阻器。

所述的微處理器單元的通用IO口PB1定義為ADIS16448傳感器組合的片選信號(hào)CS448、PB0定義為ADIS16485傳感器組合的片選信號(hào)CS485、PA5定義為SPI總線(xiàn)的的時(shí)鐘信號(hào)SCLK、PA6定義為SPI總線(xiàn)的數(shù)據(jù)信號(hào)DIN、PA7定義為SPI總線(xiàn)的數(shù)據(jù)信號(hào)DOUT；SPI通訊降噪模塊是在CS448、CS485、SCLK、DIN、DOUT各信號(hào)線(xiàn)上并接對(duì)地120歐姆電阻器，降低了噪聲和SPI通訊誤碼率。

所述的CAN通訊隔離驅(qū)動(dòng)模塊包括微處理器單元的CAN接口、高速光電耦合器和CAN驅(qū)動(dòng)器，其中高速光電耦合器選用HCPL-0661，CAN驅(qū)動(dòng)器選用TJA1050；微處理器單元的CAN接口為PA12(TXD)和PA11(RXD)，TXD)和RXD信號(hào)經(jīng)光耦HCPL-0661隔離后與CAN驅(qū)動(dòng)器TJA1050連接，高速光電耦合器與微處理器單元連接端采用5V供電，高速光電耦合器與CAN驅(qū)動(dòng)器連接端采用CAN5V供電；CAN驅(qū)動(dòng)器的CANH和CANL之間匹配兩個(gè)60Ω電阻+4700PF的阻容網(wǎng)絡(luò)以提高了總線(xiàn)的抗干擾及傳輸能力。

所述的微處理器單元判斷系統(tǒng)上電時(shí)間小于高精度MEMS傳感器模塊的啟動(dòng)時(shí)間時(shí)，通過(guò)SPI總線(xiàn)采集快速啟動(dòng)MEMS傳感器模塊的數(shù)據(jù)；否則采集高精度MEMS傳感器模塊的數(shù)據(jù)；將采集到得數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、濾波、標(biāo)定后輸出。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:由于采用快速啟動(dòng)MEMS傳感器模塊和高精度MEMS傳感器分時(shí)工作, 微處理器單元判斷系統(tǒng)上電時(shí)間小于高精度MEMS傳感器模塊的啟動(dòng)時(shí)間時(shí)，通過(guò)SPI總線(xiàn)采集快速啟動(dòng)MEMS傳感器模塊的數(shù)據(jù)；否則采集高精度MEMS傳感器模塊的數(shù)據(jù)；將采集到得數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、濾波、標(biāo)定后輸出。這樣滿(mǎn)足了要求快速測(cè)量和穩(wěn)定工作后要求精確測(cè)量的實(shí)際需求。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的總體原理框圖；

圖2是本發(fā)明的總體布局圖；

圖3是本發(fā)明的信號(hào)處理電路硬件實(shí)現(xiàn)框圖。

圖中：1、快速啟動(dòng)MEMS傳感器模塊；2、高精度MEMS傳感器模塊；3、微處理器單元；4、電源模塊；5、SPI數(shù)據(jù)采集模塊；6、CAN通訊隔離驅(qū)動(dòng)模塊；7、5V/5W穩(wěn)壓電源模塊；8、3.3V三端穩(wěn)壓器；9、5V/1W穩(wěn)壓電源模塊；10、高速光電耦合器；11、CAN驅(qū)動(dòng)器；12、SPI通訊降噪模塊；13、裝置輸入輸出連接器；14、裝置基座；15、裝置蓋板；16、信號(hào)處理電路板。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述：

結(jié)合圖1，具有冗余信號(hào)采集策略的MEMS慣性測(cè)量裝置，至少包括：安裝在裝置基座14內(nèi)的快速啟動(dòng)MEMS傳感器模塊1、高精度MEMS傳感器模塊2、微處理器單元3、電源模塊4、SPI數(shù)據(jù)采集模塊5、CAN通訊隔離驅(qū)動(dòng)模塊6，微處理器單元3是裝置的核心，快速啟動(dòng)MEMS傳感器模塊1和高精度MEMS傳感器模塊2通過(guò)SPI數(shù)據(jù)采集模塊5與微處理器單元3電連接，微處理器單元3為SPI通訊主機(jī)，快速啟動(dòng)MEMS傳感器模塊1和高精度MEMS傳感器模塊2為SPI通訊從機(jī)；SPI數(shù)據(jù)采集模塊5包括快速啟動(dòng)MEMS傳感器模塊1、高精度MEMS傳感器模塊2及微處理器單元3的SPI接口；CAN通訊隔離驅(qū)動(dòng)模塊6和微處理器單元3的CAN接口相連；電源模塊4為微處理器單元3、快速啟動(dòng)MEMS傳感器模塊1和高精度MEMS傳感器模塊2提供3.3V直流電壓，為CAN通訊隔離驅(qū)動(dòng)模塊6提供5V和CAN5V兩組完全獨(dú)立的直流電。

結(jié)合圖2，所述的裝置基座14是慣性測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)的主體，其外形尺寸為59x69x38mm，材料為A12（GB/T3880-1997），裝置基座14內(nèi)部安裝快速啟動(dòng)MEMS傳感器模塊1、高精度MEMS傳感器模塊2和信號(hào)處理電路板16；快速啟動(dòng)MEMS傳感器模塊1安裝在裝置基座14的內(nèi)部右側(cè)面，高精度MEMS傳感器模塊2安裝在裝置基座14的底部,輸入輸出連接器13固定在裝置基座14的外部左側(cè)面,信號(hào)處理電路板16上包括微處理器單元3、電源模塊4、SPI數(shù)據(jù)采集模塊5和CAN通訊隔離驅(qū)動(dòng)模塊6，信號(hào)處理電路板16通過(guò)螺釘安裝在裝置蓋板15內(nèi)表面；帶信號(hào)處理電路板16的裝置蓋板15內(nèi)通過(guò)螺釘安裝在裝置基座14的上端。

結(jié)合圖3，所述的電源模塊4包括5V/5W穩(wěn)壓電源模塊7、3.3V三端穩(wěn)壓器8和5V/1W穩(wěn)壓電源模塊9，其中5V/5W穩(wěn)壓電源模塊7選用24S05-5W，3.3V三端穩(wěn)壓器8選用78D33，5V/1W穩(wěn)壓電源模塊9選用B0505S-1W，外部直流電源經(jīng)5V/5W穩(wěn)壓電源模塊7穩(wěn)壓產(chǎn)生5V電源，5V電源再經(jīng)過(guò)3.3V三端穩(wěn)壓器8產(chǎn)生Vcc(3.3V)電源，5V電源還經(jīng)過(guò)5V/1W穩(wěn)壓電源模塊9產(chǎn)生Vcc(3.3V)電源，電源模塊4的額定功率為3W。

快速啟動(dòng)MEMS傳感器模塊是選用一種三軸陀螺儀和加速度計(jì)的6自由度MEMS集成傳感器（ADIS16448），外供3.3V直流電源即可工作。模塊自帶內(nèi)部集成溫度傳感器，輸出為SPI串行接口，工作在SPI從模式。角速率測(cè)量誤差0.5°/S；加速度測(cè)量誤差10mg；啟動(dòng)時(shí)間為0.2秒。高精度MEMS傳感器模塊是選用一種三軸陀螺儀和加速度計(jì)的6自由度MEMS集成傳感器（ADIS16485），外供3.3V直流電源即可工作。模塊自帶內(nèi)部集成溫度傳感器，輸出為SPI串行接口，工作在SPI從模式。角速率測(cè)量誤差0.2°/S；加速度計(jì)測(cè)量誤差3mg；啟動(dòng)時(shí)間為0.5秒。SPI通訊降噪模塊12選用120歐姆電阻器。

微處理器單元3的通用IO口PB1定義為ADIS16448傳感器組合的片選信號(hào)CS448、PB0定義為ADIS16485傳感器組合的片選信號(hào)CS485、PA5定義為SPI總線(xiàn)的的時(shí)鐘信號(hào)SCLK、PA6定義為SPI總線(xiàn)的數(shù)據(jù)信號(hào)DIN、PA7定義為SPI總線(xiàn)的數(shù)據(jù)信號(hào)DOUT；SPI通訊降噪模塊12是在CS448、CS485、SCLK、DIN、DOUT各信號(hào)線(xiàn)上并接對(duì)地120歐姆電阻器，降低了噪聲和SPI通訊誤碼率。

微處理器單元內(nèi)部集成的SPI接口和傳感器SPI接口,微處理器通用端口定義兩個(gè)傳感器的CS片選信號(hào)控制兩個(gè)傳感器的工作狀態(tài)，SPI接口的SCLK、DIN 和DOUT為兩個(gè)傳感器共用。鑒于數(shù)據(jù)采集時(shí)鐘在微秒數(shù)量級(jí)，SPI接口數(shù)據(jù)線(xiàn)的噪聲較大，接口電路上增加了降噪電路以降低數(shù)字通訊誤碼率。微處理器工作電壓為3.3V，要求CPU時(shí)鐘頻率不低于72MHz，具有內(nèi)部集成的通用定時(shí)器、CAN接口和SPI接口及JTAG調(diào)試接口。

所述的CAN通訊隔離驅(qū)動(dòng)模塊6包括微處理器單元3的CAN接口、高速光電耦合器10和CAN驅(qū)動(dòng)器11，其中高速光電耦合器10選用HCPL-0661，CAN驅(qū)動(dòng)器11選用TJA1050；微處理器單元3的CAN接口為PA12(TXD)和PA11(RXD)，TXD)和RXD信號(hào)經(jīng)光耦HCPL-0661隔離后與CAN驅(qū)動(dòng)器TJA1050連接，高速光電耦合器10與微處理器單元3連接端采用5V供電，高速光電耦合器10與CAN驅(qū)動(dòng)器11連接端采用CAN5V供電；CAN驅(qū)動(dòng)器11的CANH和CANL之間匹配兩個(gè)60Ω電阻+4700PF的阻容網(wǎng)絡(luò)以提高了總線(xiàn)的抗干擾及傳輸能力。

結(jié)合圖1、圖2和圖3，所述的輸入輸出連接器13包括外部供電電源和CAN通訊接口（CANH、CANL）引線(xiàn)端子；裝置上電后，所述的微處理器單元3判斷系統(tǒng)上電時(shí)間小于高精度MEMS傳感器模塊2的啟動(dòng)時(shí)間時(shí)，通過(guò)SPI總線(xiàn)采集快速啟動(dòng)MEMS傳感器模塊1的數(shù)據(jù)；否則采集高精度MEMS傳感器模塊2的數(shù)據(jù)；將采集到得數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、濾波、標(biāo)定后輸出。設(shè)計(jì)時(shí),上電0.5秒后選通高精度MEMS傳感器模塊并停止快速啟動(dòng)傳感器模塊。

本發(fā)明可以作為一種采用冗余策略進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理的MEMS傳感器慣性測(cè)量裝置設(shè)計(jì)方案，滿(mǎn)足了某些載體控制系統(tǒng)提出的在上電后要求快速測(cè)量和穩(wěn)定工作后要求精確測(cè)量的實(shí)際需求。本實(shí)施例沒(méi)有詳細(xì)敘述的部件、結(jié)構(gòu)及軟件方法屬本行業(yè)的公知部件、常用結(jié)構(gòu)或常用手段，這里不一一敘述。