具有冗餘信號採集策略的MEMS慣性測量裝置的製作方法

2023-11-11 21:29:57 3

本發明屬於慣性測量與控制技術領域,涉及一種具有冗餘信號採集策略的MEMS慣性測量裝置。

背景技術：

MEMS傳感器是採用微機電系統技術製作的傳感器，MEMS慣性傳感器包括陀螺儀和加速度計，可用於測量載體運動狀態參數。該類傳感器具有響應快、功耗低、耐衝擊和體積小等特點。目前，MEMS陀螺儀的測量精度最高可達到1°/h，MEMS加速度計測量精度可達到0.01mg，MEMS傳感器啟動時間可達到0.1s。

MEMS慣性測量技術應用存在的主要問題是測量精度不高，只能用於對精度要求不高或運行時間較短的載體。在慣性測量系統或慣導系統方案設計過程中，經常會遇到傳感器選型時很難選擇到啟動時間和測量精度均滿足要求的規格。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種具有冗餘信號採集策略的MEMS慣性測量裝置，以便在一些要求啟動時間快而且測量精度較高的使用場合，滿足其特定的啟動時間和測量精度要求。

本發明的目的是這樣實現的：具有冗餘信號採集策略的MEMS慣性測量裝置，其特徵是:至少包括：安裝在裝置基座內的快速啟動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數據採集模塊、CAN通訊隔離驅動模塊，微處理器單元是裝置的核心，快速啟動MEMS傳感器模塊和高精度MEMS傳感器模塊通過SPI數據採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，快速啟動MEMS傳感器模塊和高精度MEMS傳感器模塊為SPI通訊從機；SPI數據採集模塊包括快速啟動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通訊隔離驅動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通訊隔離驅動模塊提供5V和CAN5V兩組完全獨立的直流電。

所述的裝置基座是慣性測量裝置結構的主體，其外形尺寸為59x69x38mm，材料為A12，裝置基座內部安裝快速啟動MEMS傳感器模塊、高精度MEMS傳感器模塊和信號處理電路板；快速啟動MEMS傳感器模塊安裝在裝置基座的內部右側面，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面,信號處理電路板上包括微處理器單元、電源模塊、SPI數據採集模塊和CAN通訊隔離驅動模塊，信號處理電路板通過螺釘安裝在裝置蓋板內表面；帶信號處理電路板的裝置蓋板內通過螺釘安裝在裝置基座的上端。

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

所述的快速啟動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CS448、PB0定義為ADIS16485傳感器組合的片選信號CS485、PA5定義為SPI總線的的時鐘信號SCLK、PA6定義為SPI總線的數據信號DIN、PA7定義為SPI總線的數據信號DOUT；SPI通訊降噪模塊是在CS448、CS485、SCLK、DIN、DOUT各信號線上並接對地120歐姆電阻器，降低了噪聲和SPI通訊誤碼率。

所述的CAN通訊隔離驅動模塊包括微處理器單元的CAN接口、高速光電耦合器和CAN驅動器，其中高速光電耦合器選用HCPL-0661，CAN驅動器選用TJA1050；微處理器單元的CAN接口為PA12(TXD)和PA11(RXD)，TXD)和RXD信號經光耦HCPL-0661隔離後與CAN驅動器TJA1050連接，高速光電耦合器與微處理器單元連接端採用5V供電，高速光電耦合器與CAN驅動器連接端採用CAN5V供電；CAN驅動器的CANH和CANL之間匹配兩個60Ω電阻+4700PF的阻容網絡以提高了總線的抗幹擾及傳輸能力。

所述的微處理器單元判斷系統上電時間小於高精度MEMS傳感器模塊的啟動時間時，通過SPI總線採集快速啟動MEMS傳感器模塊的數據；否則採集高精度MEMS傳感器模塊的數據；將採集到得數據進行格式轉換、濾波、標定後輸出。

本發明的優點是:由於採用快速啟動MEMS傳感器模塊和高精度MEMS傳感器分時工作, 微處理器單元判斷系統上電時間小於高精度MEMS傳感器模塊的啟動時間時，通過SPI總線採集快速啟動MEMS傳感器模塊的數據；否則採集高精度MEMS傳感器模塊的數據；將採集到得數據進行格式轉換、濾波、標定後輸出。這樣滿足了要求快速測量和穩定工作後要求精確測量的實際需求。

附圖說明

圖1是本發明的總體原理框圖；

圖2是本發明的總體布局圖；

圖3是本發明的信號處理電路硬體實現框圖。

圖中：1、快速啟動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數據採集模塊；6、CAN通訊隔離驅動模塊；7、5V/5W穩壓電源模塊；8、3.3V三端穩壓器；9、5V/1W穩壓電源模塊；10、高速光電耦合器；11、CAN驅動器；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、信號處理電路板。

具體實施方式

下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述：

結合圖1，具有冗餘信號採集策略的MEMS慣性測量裝置，至少包括：安裝在裝置基座14內的快速啟動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數據採集模塊5、CAN通訊隔離驅動模塊6，微處理器單元3是裝置的核心，快速啟動MEMS傳感器模塊1和高精度MEMS傳感器模塊2通過SPI數據採集模塊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，快速啟動MEMS傳感器模塊1和高精度MEMS傳感器模塊2為SPI通訊從機；SPI數據採集模塊5包括快速啟動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通訊隔離驅動模塊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通訊隔離驅動模塊6提供5V和CAN5V兩組完全獨立的直流電。

結合圖2，所述的裝置基座14是慣性測量裝置結構的主體，其外形尺寸為59x69x38mm，材料為A12（GB/T3880-1997），裝置基座14內部安裝快速啟動MEMS傳感器模塊1、高精度MEMS傳感器模塊2和信號處理電路板16；快速啟動MEMS傳感器模塊1安裝在裝置基座14的內部右側面，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的外部左側面,信號處理電路板16上包括微處理器單元3、電源模塊4、SPI數據採集模塊5和CAN通訊隔離驅動模塊6，信號處理電路板16通過螺釘安裝在裝置蓋板15內表面；帶信號處理電路板16的裝置蓋板15內通過螺釘安裝在裝置基座14的上端。

結合圖3，所述的電源模塊4包括5V/5W穩壓電源模塊7、3.3V三端穩壓器8和5V/1W穩壓電源模塊9，其中5V/5W穩壓電源模塊7選用24S05-5W，3.3V三端穩壓器8選用78D33，5V/1W穩壓電源模塊9選用B0505S-1W，外部直流電源經5V/5W穩壓電源模塊7穩壓產生5V電源，5V電源再經過3.3V三端穩壓器8產生Vcc(3.3V)電源，5V電源還經過5V/1W穩壓電源模塊9產生Vcc(3.3V)電源，電源模塊4的額定功率為3W。

快速啟動MEMS傳感器模塊是選用一種三軸陀螺儀和加速度計的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。角速率測量誤差0.5°/S；加速度測量誤差10mg；啟動時間為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。角速率測量誤差0.2°/S；加速度計測量誤差3mg；啟動時間為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CS448、PB0定義為ADIS16485傳感器組合的片選信號CS485、PA5定義為SPI總線的的時鐘信號SCLK、PA6定義為SPI總線的數據信號DIN、PA7定義為SPI總線的數據信號DOUT；SPI通訊降噪模塊12是在CS448、CS485、SCLK、DIN、DOUT各信號線上並接對地120歐姆電阻器，降低了噪聲和SPI通訊誤碼率。

微處理器單元內部集成的SPI接口和傳感器SPI接口,微處理器通用埠定義兩個傳感器的CS片選信號控制兩個傳感器的工作狀態，SPI接口的SCLK、DIN 和DOUT為兩個傳感器共用。鑑於數據採集時鐘在微秒數量級，SPI接口數據線的噪聲較大，接口電路上增加了降噪電路以降低數字通訊誤碼率。微處理器工作電壓為3.3V，要求CPU時鐘頻率不低於72MHz，具有內部集成的通用定時器、CAN接口和SPI接口及JTAG調試接口。

所述的CAN通訊隔離驅動模塊6包括微處理器單元3的CAN接口、高速光電耦合器10和CAN驅動器11，其中高速光電耦合器10選用HCPL-0661，CAN驅動器11選用TJA1050；微處理器單元3的CAN接口為PA12(TXD)和PA11(RXD)，TXD)和RXD信號經光耦HCPL-0661隔離後與CAN驅動器TJA1050連接，高速光電耦合器10與微處理器單元3連接端採用5V供電，高速光電耦合器10與CAN驅動器11連接端採用CAN5V供電；CAN驅動器11的CANH和CANL之間匹配兩個60Ω電阻+4700PF的阻容網絡以提高了總線的抗幹擾及傳輸能力。

結合圖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）引線端子；裝置上電後，所述的微處理器單元3判斷系統上電時間小於高精度MEMS傳感器模塊2的啟動時間時，通過SPI總線採集快速啟動MEMS傳感器模塊1的數據；否則採集高精度MEMS傳感器模塊2的數據；將採集到得數據進行格式轉換、濾波、標定後輸出。設計時,上電0.5秒後選通高精度MEMS傳感器模塊並停止快速啟動傳感器模塊。

本發明可以作為一種採用冗餘策略進行數據採集處理的MEMS傳感器慣性測量裝置設計方案，滿足了某些載體控制系統提出的在上電後要求快速測量和穩定工作後要求精確測量的實際需求。本實施例沒有詳細敘述的部件、結構及軟體方法屬本行業的公知部件、常用結構或常用手段，這裡不一一敘述。