一种新型MIMU信号采集系统

　　摘要：针对微型惯性测量组合动态范围宽、高、实时性强的要求，设计了一种新型的数据采集方法，该方法具有高、量程宽、速度快的优点。着重介绍了这种方法的电路实现，通过跑车试验，经过解算各个姿态参数完全符合系统的要求，可广泛用于弹载姿态测试和组合导航系统中。

　　0 引言

　　随着MEMS 技术的迅速发展，相应的以MEMS 技术为依托的MIMU 也相应的产生，由于MIMU 动态范围大、高、实时性强等特点，传统的压频转换法（V/F）和流频转换法（I/F）以 不能适应MIMU 的这些特点，而且代价昂贵，电路设计复杂。本文设计了一种新型的数据采 集方法，具有高、量程宽、速度快的优点。

　　1 系统概述

　　由于微型惯性测量组合采用的是电压输出量，本系统采集过程如下：陀螺仪和加速度计 信号经过采样预处理后等待进行转换，开始先进行初始化，其中可编程放大器增益预设为1， 现场模拟信号经LF398 采样保持放大器送由AD526 构成的可编程增益放大器，放大后信号经 A／D 转换先不送存储器而是经总线送导航计算机。由导航计算机在软件中判断此信号是否 应该调整，若不需调整增益则将此信号值存入存储器中，否则根据计算得到的合适增益控制 字，送AD526 调整增益，再进行A／D 转换井缓存。系统通过中断、DMA 传输数据给导 航计算机进行姿态解算，到系统的姿态信息。采集系统的方框图如图1 所示其详细电路原理 将分模块介绍。

　　1.1 采样信号预处理

　　在惯性姿态测量系统中，陀螺仪和加速度计的输出信号具有信号微弱、干扰大、噪音 多等特点，在进行采样之前必须先进行预处理。

　　1.1.1 滤波器设计

　　固态小型惯性姿态测量系统计算的依据是惯性敏感元件的输出，而其输出中往住包含 有随机噪声，因此需要对敏感元件的输出进行预采样滤波，以削弱高次谐波或频率较高的干 扰和噪声，来保证系统的度。比较无源滤波电路，由集成运放和RC 网络组成的有源滤 波电路有很多优点，我们选择用有源低通滤波电路进行滤波处埋。常用的有源滤波电路是 二阶压控电压电源式和无限增益多路反馈式两种。前者的反馈引至运放的同相输入端，如果 参数不合适将产生自激振荡，后者的反馈引至运放的反相输入端，则避免了因通带电压放大 倍数过大而产生自激振荡，性能稳定，所以我们采用后者。因此设计了一种butterworth 的低通滤波器，我们采用了高运算放大器OP491 作为其中的运放而无限增益反馈滤波电 路对信号进行了反相处理，我们在用一个反相比例电路将其再反相回来才是真实信号。

　　1.1.2 系统信号采样保持电路

　　模拟信号进行A／D 转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定地转换时间， 在这个转换时间内，模拟信号要基本保持不变。在这里用到的采样／保持器是LF398，LF938 是美国 National Semiconductor 公司生产的，它由A1、A2 两个运算放大器、模拟开关和 开关驱动电路、三极管D1 和 D2 构成的保护电路等组成。它采用 8 脚双列直插或金属管壳 式封装。

　　本惯性姿态测量系统中，三个陀螺仪和三个加速度计的信号共有六路，这六路信号分别 接入采样/保持器LF398 的3 引脚。六个LF398 的8 引脚先连在一起都接到CPLD 的引脚，用 来启动采样保持。

　　1.2 系统信号可编程增益放大电路

　　在本系统中由于陀螺仪的动态输出范围很宽，为了提高系统的分辨率，通常的做法是增 加量化位数。然而普通的高位A／D 在转换和速度上总是难以兼顾，因此有必要设计低 成本的大动态范围高速数据采集器。我们可以采用可编程放大器（PGA）先将陀螺仪信号根 据要求自动调整到合适A／D 转换的输入范围，然后再进行A／D 转换这样可有效保证在 小信号输入时的转换，扩大了采集系统的动态范围。

　　AD652 是美国模拟器件公司生产的一种单端可编程增益放大器，其数字化可编程二进制 增益从l、2、4、8 到l6，两片级联后可实现二进制增益到32、64、128、256。AD652 内部 包括调漂移BIFET 放大器、激光晶片平衡电阻网络、JFET 模拟开关和TTL 兼容的增益编码 锁存器。 本系统采用了两片AD526 它们级联后可实现二进制增益l、2、4、8、16、32、64、128、 256，以满足系统的宽动态范围。

　　1.3 系统信号A/D 转换电路

　　陀螺仪和加速度计信号共有6 路，还有其它信号如温控信号等，这些信号也要进行A/D 转换，且共用一路A/D 转换器，通常用模拟多路开关将多路被测信号分别传送到转换器进行 转换。AD7501 是一种有译码器的多路CMOS 开关，它是一个完整的16 位逐次逼近式带三态 缓冲器的A／D 转换器，它可以直接与8 位或16 位微机总线进行接口可以满足系统要求。它 具有8 个输入通道（S1S8）、一个输出通道（OUT）有三个地址线（A0、A1、A2）及使能端 EN 的状态来选择8 个输入通道之一与输出端导通。片上所有的逻辑输入与TTL/DTL 及CMOS 电路兼容。

　　ADS7805 的完整操作过程是由启动转换和读数据两部分组成。和两根信号线CS 和R/C 控制看整个操作时序。由于CS 和 R／C 在芯片内部是逻辑或的关系，使得ADS7805 的使 用灵活。R／C 的下降沿将启动新的转换，在转换的同时将输出前转换的结果在转 换结束之后，输出本次转换结果。

　　1.4 CPLD 数据接口电路

　　CPLD 在整个数据采集系统中的功能模块包括分频模块、AD 控制触模块、FIFO 模块、程 控增益放大控制模块和数据通道模块，所有这些都通过CPLD 技术实现，是用原理图和VHDL 混合编程实现其逻辑电路功能。 本系统将CPLD 设计的计数器产生的定时输出信号（OUT）与A/D 转换器ADS7805 的启动 信号输入脚R／C 相连，由计数／定时器的定时输出脉冲启动A／D 转换，A／D 转换结束信 号 （EOC）与导航计算机的中断输入IRQ 相连, A／D 转换完成后即发出中断信号，进入中 断服务程序，由服务程序将转换结果数据写入内存或数组。

　　2 系统软件的编写

　　本系统是高速数据采集系统如果用中断方式进行数据采集，每传送一个数据都要进行中 断响应、保护现场、进入中断服务程序、结束中断时恢复观场、返回主程序等工作这不仅降 了速度，而且是一些重复件的工作，所以对于高速数据采集，用中断方式发挥不了高速A／ D 转换的效益，必须用DMA 方式进行数据传输。用DMA 方式进行数据采集，通常采用定时器， 当定时器计时到了时间，则发出输出错启动A/D 转换。A/D 转换的数据通过DMA 方式传送到 存储器规定的单元，当所有数据全部采样结束后，发出中断信号进入中断服务程序，有中断 服务程序将存储器的数据读到指定的数组或磁盘上，或进行数据处理。其传输过程一般是这 样的：A/D 采集板上的定时器定时到，启动A／D 转换，A／D 转换结束后向系统板上的DMA 控制器发出请求DMA 传输信号DREQ，DMA 送DACK 信号，将转换结果写入指定的内存单元， DACK 信号清除接口的DREQ 信号，等待再次DMA 请求，以进行第二次DMA 传送，此过程反复 进行，直到DMA 的字数计数器达到终值，然后DMA 发出计数结束信号C／T，产生中断，由 中断服务程序将DMA 传送到内存的数据读到数组或写到磁盘上，或进行处理。系统A/D 转换 采样流程图如下所示：

　　3 系统性能分析

　　首先讨论系统的动态采集范围。由于ADS7508 的非线性误差为正负3LSB，故能保 证转换结果的前14 位数为有效值，又满量程输入为10V,程控放大器的放大倍数为 1000 时，此时陀螺仪信号采集系统的分辨数值LSB 为：

　　点放大电路，扩大了系统的动态测量范围，大大减小了信号转换的量化误差，有效地解决了IMU 信号动态测量范围宽的问题。

　　ADS7805 每完成转换至少需要5μ s的时间，这对单指令周期为10ns 的PC104来说， 每次A/D 转换期间可执行500 条指令，能够完成滤波和其它相关的任务。因此，六个通道并 行运行时，每个通道的采集速率大于66.7Ksps,本系统具有很好的实时性能。

　　4 结束语

　　本文对姿态测量系统信号的数据采集原理进行了介绍，并在工程实践中设计实现了陀 螺仪和加速度计信号的滤波、采样保持、可编程增益放大和A／D 转换，并用CPLD 技术实现 了采样后的数字信号和总线的接口电路。从上面的分析可知该微型惯性测量组合具有动态范 围大、实时性能好、测量高的优点，满足了姿态测试系统的要求。该技术也可推广到其 他信号变化范围大、实时性要求高的数据采集系统中。

　　本文作者创新点：随着MEME 技术的发展，以MEMS 技术为支撑的微小惯性测量组件也 相应的产生，由于其动态范围大，零漂大，信号不稳定等特点，本文设计了一种带有滤波功 能，并带有可编程控制调节增益的数据采集系统，这套系统可以克服MIMU 动态范围大、零 漂大、信号不稳定的特点。