具有冗余信号采集策略的MEMS惯性测量装置的制作方法

本发明属于惯性测量与控制技术领域,涉及一种具有冗余信号采集策略的MEMS惯性测量装置。

背景技术：

MEMS传感器是采用微机电系统技术制作的传感器，MEMS惯性传感器包括陀螺仪和加速度计，可用于测量载体运动状态参数。该类传感器具有响应快、功耗低、耐冲击和体积小等特点。目前，MEMS陀螺仪的测量精度最高可达到1°/h，MEMS加速度计测量精度可达到0.01mg，MEMS传感器启动时间可达到0.1s。

MEMS惯性测量技术应用存在的主要问题是测量精度不高，只能用于对精度要求不高或运行时间较短的载体。在惯性测量系统或惯导系统方案设计过程中，经常会遇到传感器选型时很难选择到启动时间和测量精度均满足要求的规格。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有冗余信号采集策略的MEMS惯性测量装置，以便在一些要求启动时间快而且测量精度较高的使用场合，满足其特定的启动时间和测量精度要求。

本发明的目的是这样实现的：具有冗余信号采集策略的MEMS惯性测量装置，其特征是:至少包括：安装在装置基座内的快速启动MEMS传感器模块、高精度MEMS传感器模块、微处理器单元、电源模块、SPI数据采集模块、CAN通讯隔离驱动模块，微处理器单元是装置的核心，快速启动MEMS传感器模块和高精度MEMS传感器模块通过SPI数据采集模块与微处理器单元电连接，微处理器单元为SPI通讯主机，快速启动MEMS传感器模块和高精度MEMS传感器模块为SPI通讯从机；SPI数据采集模块包括快速启动MEMS传感器模块、高精度MEMS传感器模块及微处理器单元的SPI接口；CAN通讯隔离驱动模块和微处理器单元的CAN接口相连；电源模块为微处理器单元、快速启动MEMS传感器模块和高精度MEMS传感器模块提供3.3V直流电压，为CAN通讯隔离驱动模块提供5V和CAN5V两组完全独立的直流电。

所述的装置基座是惯性测量装置结构的主体，其外形尺寸为59x69x38mm，材料为A12，装置基座内部安装快速启动MEMS传感器模块、高精度MEMS传感器模块和信号处理电路板；快速启动MEMS传感器模块安装在装置基座的内部右侧面，高精度MEMS传感器模块安装在装置基座的底部,输入输出连接器固定在装置基座的外部左侧面,信号处理电路板上包括微处理器单元、电源模块、SPI数据采集模块和CAN通讯隔离驱动模块，信号处理电路板通过螺钉安装在装置盖板内表面；带信号处理电路板的装置盖板内通过螺钉安装在装置基座的上端。

所述的电源模块包括5V/5W稳压电源模块、3.3V三端稳压器和5V/1W稳压电源模块，其中5V/5W稳压电源模块选用24S05-5W，3.3V三端稳压器选用78D33，5V/1W稳压电源模块选用B0505S-1W，外部直流电源经5V/5W稳压电源模块稳压产生5V电源，5V电源再经过3.3V三端稳压器产生3.3V电源，5V电源还经过5V/1W稳压电源模块产生3.3V电源，电源模块的额定功率为3W。

所述的快速启动MEMS传感器模块选用ADI的ADIS16448传感器组合，高精度MEMS传感器选用ADI的ADIS16485传感器组合，微处理器单元选用32位微处理器STM32F103,SPI通讯降噪模块选用120欧姆电阻器。

所述的微处理器单元的通用IO口PB1定义为ADIS16448传感器组合的片选信号CS448、PB0定义为ADIS16485传感器组合的片选信号CS485、PA5定义为SPI总线的的时钟信号SCLK、PA6定义为SPI总线的数据信号DIN、PA7定义为SPI总线的数据信号DOUT；SPI通讯降噪模块是在CS448、CS485、SCLK、DIN、DOUT各信号线上并接对地120欧姆电阻器，降低了噪声和SPI通讯误码率。

所述的CAN通讯隔离驱动模块包括微处理器单元的CAN接口、高速光电耦合器和CAN驱动器，其中高速光电耦合器选用HCPL-0661，CAN驱动器选用TJA1050；微处理器单元的CAN接口为PA12(TXD)和PA11(RXD)，TXD)和RXD信号经光耦HCPL-0661隔离后与CAN驱动器TJA1050连接，高速光电耦合器与微处理器单元连接端采用5V供电，高速光电耦合器与CAN驱动器连接端采用CAN5V供电；CAN驱动器的CANH和CANL之间匹配两个60Ω电阻+4700PF的阻容网络以提高了总线的抗干扰及传输能力。

所述的微处理器单元判断系统上电时间小于高精度MEMS传感器模块的启动时间时，通过SPI总线采集快速启动MEMS传感器模块的数据；否则采集高精度MEMS传感器模块的数据；将采集到得数据进行格式转换、滤波、标定后输出。

本发明的优点是:由于采用快速启动MEMS传感器模块和高精度MEMS传感器分时工作, 微处理器单元判断系统上电时间小于高精度MEMS传感器模块的启动时间时，通过SPI总线采集快速启动MEMS传感器模块的数据；否则采集高精度MEMS传感器模块的数据；将采集到得数据进行格式转换、滤波、标定后输出。这样满足了要求快速测量和稳定工作后要求精确测量的实际需求。

附图说明

图1是本发明的总体原理框图；

图2是本发明的总体布局图；

图3是本发明的信号处理电路硬件实现框图。

图中：1、快速启动MEMS传感器模块；2、高精度MEMS传感器模块；3、微处理器单元；4、电源模块；5、SPI数据采集模块；6、CAN通讯隔离驱动模块；7、5V/5W稳压电源模块；8、3.3V三端稳压器；9、5V/1W稳压电源模块；10、高速光电耦合器；11、CAN驱动器；12、SPI通讯降噪模块；13、装置输入输出连接器；14、装置基座；15、装置盖板；16、信号处理电路板。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，具有冗余信号采集策略的MEMS惯性测量装置，至少包括：安装在装置基座14内的快速启动MEMS传感器模块1、高精度MEMS传感器模块2、微处理器单元3、电源模块4、SPI数据采集模块5、CAN通讯隔离驱动模块6，微处理器单元3是装置的核心，快速启动MEMS传感器模块1和高精度MEMS传感器模块2通过SPI数据采集模块5与微处理器单元3电连接，微处理器单元3为SPI通讯主机，快速启动MEMS传感器模块1和高精度MEMS传感器模块2为SPI通讯从机；SPI数据采集模块5包括快速启动MEMS传感器模块1、高精度MEMS传感器模块2及微处理器单元3的SPI接口；CAN通讯隔离驱动模块6和微处理器单元3的CAN接口相连；电源模块4为微处理器单元3、快速启动MEMS传感器模块1和高精度MEMS传感器模块2提供3.3V直流电压，为CAN通讯隔离驱动模块6提供5V和CAN5V两组完全独立的直流电。

结合图2，所述的装置基座14是惯性测量装置结构的主体，其外形尺寸为59x69x38mm，材料为A12（GB/T3880-1997），装置基座14内部安装快速启动MEMS传感器模块1、高精度MEMS传感器模块2和信号处理电路板16；快速启动MEMS传感器模块1安装在装置基座14的内部右侧面，高精度MEMS传感器模块2安装在装置基座14的底部,输入输出连接器13固定在装置基座14的外部左侧面,信号处理电路板16上包括微处理器单元3、电源模块4、SPI数据采集模块5和CAN通讯隔离驱动模块6，信号处理电路板16通过螺钉安装在装置盖板15内表面；带信号处理电路板16的装置盖板15内通过螺钉安装在装置基座14的上端。

结合图3，所述的电源模块4包括5V/5W稳压电源模块7、3.3V三端稳压器8和5V/1W稳压电源模块9，其中5V/5W稳压电源模块7选用24S05-5W，3.3V三端稳压器8选用78D33，5V/1W稳压电源模块9选用B0505S-1W，外部直流电源经5V/5W稳压电源模块7稳压产生5V电源，5V电源再经过3.3V三端稳压器8产生Vcc(3.3V)电源，5V电源还经过5V/1W稳压电源模块9产生Vcc(3.3V)电源，电源模块4的额定功率为3W。

快速启动MEMS传感器模块是选用一种三轴陀螺仪和加速度计的6自由度MEMS集成传感器（ADIS16448），外供3.3V直流电源即可工作。模块自带内部集成温度传感器，输出为SPI串行接口，工作在SPI从模式。角速率测量误差0.5°/S；加速度测量误差10mg；启动时间为0.2秒。高精度MEMS传感器模块是选用一种三轴陀螺仪和加速度计的6自由度MEMS集成传感器（ADIS16485），外供3.3V直流电源即可工作。模块自带内部集成温度传感器，输出为SPI串行接口，工作在SPI从模式。角速率测量误差0.2°/S；加速度计测量误差3mg；启动时间为0.5秒。SPI通讯降噪模块12选用120欧姆电阻器。

微处理器单元3的通用IO口PB1定义为ADIS16448传感器组合的片选信号CS448、PB0定义为ADIS16485传感器组合的片选信号CS485、PA5定义为SPI总线的的时钟信号SCLK、PA6定义为SPI总线的数据信号DIN、PA7定义为SPI总线的数据信号DOUT；SPI通讯降噪模块12是在CS448、CS485、SCLK、DIN、DOUT各信号线上并接对地120欧姆电阻器，降低了噪声和SPI通讯误码率。

微处理器单元内部集成的SPI接口和传感器SPI接口,微处理器通用端口定义两个传感器的CS片选信号控制两个传感器的工作状态，SPI接口的SCLK、DIN 和DOUT为两个传感器共用。鉴于数据采集时钟在微秒数量级，SPI接口数据线的噪声较大，接口电路上增加了降噪电路以降低数字通讯误码率。微处理器工作电压为3.3V，要求CPU时钟频率不低于72MHz，具有内部集成的通用定时器、CAN接口和SPI接口及JTAG调试接口。

所述的CAN通讯隔离驱动模块6包括微处理器单元3的CAN接口、高速光电耦合器10和CAN驱动器11，其中高速光电耦合器10选用HCPL-0661，CAN驱动器11选用TJA1050；微处理器单元3的CAN接口为PA12(TXD)和PA11(RXD)，TXD)和RXD信号经光耦HCPL-0661隔离后与CAN驱动器TJA1050连接，高速光电耦合器10与微处理器单元3连接端采用5V供电，高速光电耦合器10与CAN驱动器11连接端采用CAN5V供电；CAN驱动器11的CANH和CANL之间匹配两个60Ω电阻+4700PF的阻容网络以提高了总线的抗干扰及传输能力。

结合图1、图2和图3，所述的输入输出连接器13包括外部供电电源和CAN通讯接口（CANH、CANL）引线端子；装置上电后，所述的微处理器单元3判断系统上电时间小于高精度MEMS传感器模块2的启动时间时，通过SPI总线采集快速启动MEMS传感器模块1的数据；否则采集高精度MEMS传感器模块2的数据；将采集到得数据进行格式转换、滤波、标定后输出。设计时,上电0.5秒后选通高精度MEMS传感器模块并停止快速启动传感器模块。

本发明可以作为一种采用冗余策略进行数据采集处理的MEMS传感器惯性测量装置设计方案，满足了某些载体控制系统提出的在上电后要求快速测量和稳定工作后要求精确测量的实际需求。本实施例没有详细叙述的部件、结构及软件方法属本行业的公知部件、常用结构或常用手段，这里不一一叙述。