CN104359481A - 一种基于fpga的微小型惯性测量单元 - Google Patents

一种基于fpga的微小型惯性测量单元 Download PDF

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张宪起
高玉霞
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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的微小型惯性测量单元，由三轴MEMS加速度计模块实时感知载体X、Y、Z三个轴向的加速度信息传送到信号处理器；三轴MEMS陀螺仪模块实时感知载体X、Y、Z三个轴向的角速度信息传送到信号处理器；温度传感器模块感知载体周围的环境温度信息传送到信号处理器；信号处理器对收到的数据进行标定和补偿，由RS232电平转换模块将载体的加速度和角速度信息转换成符合RS232协议的格式发送出去。以FPGA芯片作为***信号处理器，减少运行周期和硬件误差；***芯片少，利于实现***小型化。采用数字式传感器，有效提高抗干扰能力和测量精度。传感器并行运行，利于时间对准和测量一致性，可减小测量误差。

Description

一种基于FPGA的微小型惯性测量单元
 
技术领域
本发明涉及一种基于FPGA的微小型惯性测量单元，属于电路技术领域。
背景技术
随着微型制造技术和MEMS技术发展，以新一代微型MEMS陀螺仪和MEMS加速度计为基础的MEMS微小型测量单元迅速发展起来，广泛应用在微型飞行器、微小机器人、个人导航定位设备、辅助GPS导航等领域。
传统***的设计思想是利用DSP或单片机实现数据采集和处理，但是单片机在算法实现上速度较慢，无法满足***高速实时的要求，DSP虽然在算法实现上较快，但***电路较复杂，需要配置较多的逻辑转换等器件，增加的芯片数量不易满足***小型化的要求，同时这些方案存在开发周期比较长，不能针对变化、灵活修改硬件设计等局限。
FPGA是现场可编程门阵列（field programmable GateArray）的缩写，它采用逻辑单元阵列作为基本单元，内部包括可配置逻辑模块、输入输出模块和内部连线三部分。主要特点有：（1）FPGA利用内部逻辑单元阵列组成硬件电路实现***设计，***并行处理能力突出；（2）FPGA具有丰富且可方便配置的I/O端口，使电路设计和***布局布板更加便利简洁；（3）FPGA可以进行模块化设计，方便模块的复用，特别是IP核的利用，使***开发更加灵活方便。
发明内容
本发明的目的：克服现有技术的不足，设计一种以FPGA为核心的全数字式惯性测量单元，可以提高***的抗干扰能力，并且更利于***的小型化和集成化。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于FPGA的微小型惯性测量单元，其特征是，包括三轴MEMS加速度计模块、三轴MEMS陀螺仪模块、温度传感器模块、信号处理器、RS232电平转换模块及电源管理模块；
电源管理模块为其他所有模块提供供电电压；
三轴MEMS加速度计模块实时感知载体X、Y、Z三个轴向的加速度信息，并实时传送到信号处理器；
三轴MEMS陀螺仪模块实时感知载体X、Y、Z三个轴向的角速度信息，并实时传送到信号处理器；
温度传感器模块感知载体周围的环境温度信息，并实时传送到信号处理器；
信号处理器对收到的数据进行标定和补偿，由RS232电平转换模块将载体的加速度和角速度信息转换成符合RS232协议的格式发送出去。
所述信号处理器即FPGA芯片，利用VerilogHDL语言在FPGA芯片上实现信息采集接口、数据格式转换、存储，并且对陀螺仪和加速度计数据进行标定和补偿。
信号处理模块包括数据转换与处理模块、标定与温度补偿模块、带有发送FIFO和接收FIFO的UART模块，以及多个SPI 接口。
信号处理模块与三轴MEMS加速度计模块、三轴MEMS陀螺仪、温度传感器模块之间采用SPI通讯协议通信，SPI 接口包括片选信号、串行时钟输入，主输入从输出、主输出从输入四个端口，信号处理模块作为SPI通信的主机，给出片选信号、时钟信号和控制字。
带有发送FIFO和接收FIFO的UART模块实现惯性数据的暂存和RS232格式输出。
数据转换与处理模块对三轴MEMS加速度计模块和三轴MEMS陀螺仪感知的数据进行解析；
标定与温度补偿模块对零偏、刻度因子非线性、安装误差和温度补偿进行处理。模块根据标定试验测得的惯性测量单元三个轴向的静态、动态误差系数进行补偿。
本发明所达到的有益效果：
（1）以FPGA芯片作为***信号处理器，以其并行运算的优点，减少***运行周期，减少了***的硬件误差。******芯片少，利于实现整个***的小型化。
（2）***全部采用数字式传感器，板上信号均为数字信号，可以有效提高***的抗干扰能力，提高***的测量精度。
（3）***利用FPGA的丰富的IO口资源，设计多个SPI接口，是所有的传感器均并行运行，同时启动采集外界信息，可以提高测量的时间一致性，减少量测误差。
所有的传感器均并行运行，利于***的时间对准和测量一致性，可以减小***的测量误差。
附图说明
图1  惯性测量单元原理框图；
图2　信号处理模块原理框图；
图3  加速度计模块电路图；
图4  陀螺仪模块电路图；
图5  温度传感器模块电路图；
图6  RS232电平转换模块电路图；
图7  信号处理器模块电路图；
图8  电源管理模块电路图；
图9　标定补偿的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明中的惯性测量单元原理框图如图1所示，***由MEMS加速度计模块、MEMS陀螺仪模块、温度传感器模块、信号处理器（FPGA）、RS232电平转换模块及电源管理模块组成。
电源管理模块提供整个***所需的稳定电压，保证各模块的供电正常；MEMS加速度计模块实时感知载体X、Y、Z三个轴向的加速度信息；MEMS陀螺仪模块实时感知载体X、Y、Z三个轴向的角速度信息；温度传感器模块感知载体周围的环境温度信息；以上所有的信息均实时的传送至信号处理器。信号处理器首先采集到各个传感器信息，然后根据事先测定的加速度计、陀螺仪的特征参数，对加速度计和陀螺仪的输出进行标定和补偿，这些标定和补偿包括零偏、刻度因子非线性、安装误差、温度补偿等，最后信号处理器将载体的加速度和角速度信息转换成符合RS232协议的格式发送出去。由于信号处理器输出的是TTL电平，所以需要RS232电平转换模块完成电平转换。
信号处理器全由FPGA实现，利用VerilogHDL语言在FPGA上实现信息采集接口，数据格式转换、存储，陀螺仪和加速度计标定补偿以及相关的时序逻辑功能等。图2为信号处理器的原理框图。
加速度计、陀螺仪和温度传感器与FPGA之间采用SPI通讯协议通信，SPI 接口包括片选(CS) 信号，时钟输入(SCK)，主输入从输出(MISO)，主输出从输入(MOSI)等四个端口，FPGA作为SPI通信的主机，给出片选信号、时钟信号和控制字，读写操作按照加速度计、陀螺仪和温度传感器指定的格式进行。集成了发送FIFO和接收FIFO的UART接口实现惯性数据的暂存和RS232格式输出。数据转换与处理模块对三轴加速度计和陀螺仪数据进行解析，以利于对它们进行标定和补偿。标定与温度补偿模块是信号处理器的核心，在此完成零偏、刻度因子非线性、安装误差、温度补偿等处理，有效提高***的测量精度。
标定与温度补偿模块对零偏、刻度因子非线性、安装误差和温度补偿进行处理。模块根据标定试验测得的惯性测量单元三个轴向的静态、动态误差系数进行补偿，标定补偿的流程图如图9所示。
陀螺仪为数字式输出的三轴MEMS陀螺仪，加速度计为数字式输出的三轴MEMS加速度计，温度传感器为数字式输出的温度传感器。
各部分硬件电路实现如下：
MEMS加速度计电路及与FPGA模块的互连如图3所示。由ADXL346三轴加速度计N2、电容C1、C2、及FPGA模块N1A的六个I/O口组成。三轴加速度计N2实时采集三个轴向的加速度信息并由SPI接口输出，FPGA模块N1A的四个I/O口（引脚7、8、9、24）由VerilogHDL编程实现SPI接口协议，并根据三轴加速度计N2输出的中断信号（INT1、INT2）时序获取三轴陀螺仪N3输出的加速度信息。
MEMS陀螺仪电路及与FPGA模块的互连如图4所示。由L3G4200D三轴陀螺仪N3、电容C41、C42、C43、C44、及FPGA N1B的五个I/O口组成。三轴陀螺仪N3实时采集三个轴向的角速度信息并由SPI接口输出，FPGA模块N1B的四个I/O口（引脚30、41、42、43）由VerilogHDL编程实现SPI接口协议，并根据三轴陀螺仪N3输出的中断信号（DRDY/INT2）时序获取三轴陀螺仪N3输出的角速度信息。
MEMS温度传感器模块电路及与FPGA模块的互连如图5所示。由AD7814ART温度传感器N4、电容C30、及FPGA模块N1E的四个I/O口组成。温度传感器N4实时采集环境温度信息并由SPI接口输出，FPGA模块N1E的四个I/O口（引脚45、47、48、50）由VerilogHDL编程实现SPI接口协议，实时读取温度信息。
RS232电平转换模块电路及与FPGA模块的互连如图6所示。由MAX3232E电平转换芯片N5、电容C11、C12、C13、C14、C15、及FPGA模块N1D的四个I/O口组成。FPGA模块N1D的四个I/O口（引脚52、53、55、57）由VerilogHDL编程实现RS232接口的接收和发送协议，将三轴的惯性信息及温度信息发送至MAX3232E电平转换芯片N5，通过电平转换将信息发送给导航计算机使用。
信号处理模块负责采集所有传感器的数据，并根据加速度计和陀螺仪测试的结果对它们进行标定，同时根据温度信息对三轴加速度及角速度信息进行全温补偿，然后按照RS232协议三轴加速度及角速度信息输出至导航计算机。该模块主要由FPGA芯片及其***电路组成，电路图如图7所示。图中N6 (EPCS4SI8)为FPGA的配置芯片；N7（LTC1799HS5）和电阻R9、R10、电容C20、C21构成FPGA的外接晶振电路，为FPGA提供20MHz的时钟信号；J1是FPGA的JTAG端，是下载和配置程序的接口。
电源管理模块的功能是为整个***提供稳定可靠的电源,由于FPGA芯片需要+3.3V和+1.2V两种电源，所以***采用TI公司的TPS70345电压调整芯片 N8，整个模块的电路图如图8所示，由TPS70345电压调整芯片，电阻R1、R2、R3、R4及电容C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10组成。
以上各图中的FPGA模块N1A、N1B、N1E、N1D均显示的是同一FPGA模块的部分引脚与其他各模块之间的连接关系。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1. 一种基于FPGA的微小型惯性测量单元，其特征是，包括三轴MEMS加速度计模块、三轴MEMS陀螺仪模块、温度传感器模块、信号处理器、RS232电平转换模块及电源管理模块；
电源管理模块为其他所有模块提供供电电压；
三轴MEMS加速度计模块实时感知载体X、Y、Z三个轴向的加速度信息，并实时传送到信号处理器；
三轴MEMS陀螺仪模块实时感知载体X、Y、Z三个轴向的角速度信息，并实时传送到信号处理器；
温度传感器模块感知载体周围的环境温度信息，并实时传送到信号处理器；
信号处理器对收到的数据进行标定和补偿，由RS232电平转换模块将载体的加速度和角速度信息转换成符合RS232协议的格式发送出去。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的微小型惯性测量单元，其特征是，所述信号处理器即FPGA芯片，利用VerilogHDL语言在FPGA芯片上实现信息采集接口、数据格式转换、存储，并且对陀螺仪和加速度计数据进行标定补偿。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的微小型惯性测量单元，其特征是，
信号处理模块包括数据转换与处理模块、标定与温度补偿模块、带有发送FIFO和接收FIFO的UART模块，多个SPI 接口模块。
4.根据权利要求3所述的基于FPGA的微小型惯性测量单元，其特征是，
信号处理模块与三轴MEMS加速度计模块、三轴MEMS陀螺仪、温度传感器模块之间采用SPI通讯协议通信，SPI 接口包括片选信号、串行时钟输入，主输入从输出、主输出从输入四个端口，信号处理模块作为SPI通信的主机，给出片选信号、时钟信号和控制字。
5.根据权利要求3所述的基于FPGA的微小型惯性测量单元，其特征是，
带有发送FIFO和接收FIFO的UART接口模块实现惯性数据的暂存和RS232格式输出。
6.根据权利要求3所述的基于FPGA的微小型惯性测量单元，其特征是，
数据转换与处理模块对三轴MEMS加速度计模块和三轴MEMS陀螺仪感知的数据进行解析；
标定与温度补偿模块对零偏、刻度因子非线性、安装误差和温度误差进行补偿处理。
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