MEMS陀螺儀CRM100的信號調理電路設計

胡陳君 ，李 杰 ，2，景增增 ，石璽文

（1.中北大學 電子測試技術國防科技重點實驗室，太原 030051；2.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051）

MEMS陀螺儀是微慣性測量組合的主要部件，其性能的好壞直接影響慣性測量的精度[1-2]。因此，準確評價其性能精度，對陀螺儀測量誤差分析和標定，已成為使用過程的重要環節[3-4]。CRM100陀螺儀是SILICON SENSING公司生產的一種新型的高精度角速率陀螺儀，既可以輸出與角速率呈線性關系的模擬量，也可以通過SPI協議直接輸出數字量[5]。

本文在分析CRM100信號輸出特點的基礎上，設計了模擬信號和數字信號的調理電路，并組裝系統實物樣機，為進一步分析陀螺誤差源，確定誤差的隨機散布規律，考核性能指標做準備。最后，通過三軸位置速率搖擺溫控轉臺對MEMS陀螺儀CRM100的信號調理電路進行試驗驗證，標定陀螺儀參數，建立角速率模型方程，對規律性誤差給予補償，提高了陀螺儀的實際使用精度。

1 CRM100陀螺儀

CRM100是PinPoint高精度單軸陀螺儀，采用第5代VSG陀螺技術，具有低功耗、體積小、輸出穩定等特點，尺寸為 5.7 mm×4.8 mm×1.2 mm，零位穩定性為24°/h，角度隨機游走為 0.28°/h，采用 3.3 V供電，功耗為4 mA[5]。

為了方便用戶安裝，陀螺儀采用陶瓷LCC貼片式，抗沖擊和振動，適應于惡劣環境，易于集成，能夠廣泛應用于慣性測量和慣性導航系統中。

2 模擬信號調理電路

CRM100陀螺儀工作在模擬信號輸出模式下時， 具備 75°/s、150°/s、300°/s和 900°/s 4 個可選擇的動態測量范圍，同時還可以依據實際需要調節帶寬。模擬信號調理電路原理圖如圖1所示。

圖1 模擬信號調理電路原理Fig.1 Analog signal conditioning circuit schematic diagram

通過控制CRM100陀螺儀的MODE_SEL的輸入調節信號輸出方式，當MODE_SEL與GND相連接時，陀螺儀輸出模擬量。陀螺儀的動態測量范圍可以通過輸入組合方式調節，為了方便實際工程應用，使設計的調理電路具有通用性，本文設計了圖1的連接方式，將SEL0分別經電阻連接到GND和VCC，當 R1為 0 Ω 電阻，R2電阻無窮大時，相對于SEL0的輸入為GND，當R1電阻為無窮大，R2為0 Ω電阻時，相對于SEL0的輸入為VCC，SEL1的控制方式類似。 本設計通過改變 R1、R2、R3、R4電阻的阻值和焊接方式，能夠很方便地對動態測量范圍進行調節。具體調節方式如表1所示。

表1 模擬輸出模式下測量范圍的調節Tab.1 Measurement range adjusting for analog output mode

在調節陀螺儀的動態測量范圍時，切記不能令R1=R2=0 Ω或R3=R4=0 Ω，否則將導致陀螺儀供電出現問題，燒壞器件，造成不可恢復的損害。

在實際應用中，還需調節傳感器的帶寬，本設計提出了一種簡便易行的調節方式，通過改變電容C3的容值，來調節帶寬，使信號調理電路能應用于不同的帶寬要求場合。C3的不同容值所對應的典型帶寬如表2所示。

表2 C3的不同容值所對應的帶寬Tab.2 Corresponding bandwidth based on different C3values

模擬信號具有輸出連續性，實時反映陀螺儀的角速率信息，動態測量范圍可調，信號寬度可控的優點，但信號傳輸易受干擾，且后續的實際應用中需要高精度的A/D轉換器對模擬信號進行采樣、量化，轉換為數字量，才能進一步參與解算和使用，增加了電路的復雜性[6-8]。

3 數字信號調理電路

當CRM100陀螺儀的 MODE_SEL與 VCC（3.3 V）相連接時，陀螺儀工作在數字信號輸出模式。調理電路設計原理圖如圖2所示。

圖2 數字信號調理電路原理圖Fig.2 Digital signal conditioning circuit schematic diagram

當陀螺儀工作在數字模式時，通過SPI串行通信口輸出數字信號。本文設計數據采集系統通過模擬SPI口與陀螺儀進行信息交換。陀螺儀的SPI通信時序如圖3所示。

SPI（serial peripheral interface）總線是由Motorola公司開發的全雙工同步串行外設接口，用于CPU與各種外圍設備進行全雙工、同步串行通信[9-10]。一般而言，SPI總線接口主要用于主從分布式的通信網絡，由一個主設備和一個或多個從設備組成，主設備通過從機選通信號啟動一個與從設備的同步通信，只需SCLK（主機輸出串行時鐘信號）、SS（從機選通信號）、MISO （主機輸入從機輸出信號）、MOSI（主機輸出從機輸入信號）4根I/O接口線即可實現發送和接收數據，完成微控制器與各種外圍設備之間的通信[11-12]。

圖3 CRM100陀螺儀的SPI通信時序Fig.3 SPI communication timing of the CRM100 gyroscope

本設計中，SPI工作在主從模式下，數據采集系統充當主機，陀螺儀充當從機[13]。陀螺儀的SS（第2管腳）為從機片選接口，當置為低電平時，選通從機CRM100陀螺儀；Dclk（第3管腳）為串行時鐘信號SCLK接口，該時鐘信號由數據采集系統產生，再輸入到陀螺儀中，控制二者信息交換速率；陀螺儀的 Data_In（第6管腳）作為MOSI接口，接收數據采集系統發送的命令；Data_Out（第4管腳）作為MISO接口，將陀螺角速率信息傳輸到信息采集系統。

4 試驗驗證

根據CRM100陀螺儀的輸出方式的不同，設計2種對應的信號調理電路，并組裝樣機，實時存儲陀螺的角速率信息，為事后試驗數據的分析做準備。為驗證所設計系統的可靠性和正確性，利用實驗室三軸位置速率搖擺溫控轉臺和相關采集電路對陀螺儀進行測試。測試過程中，將陀螺儀安裝在轉臺平面上，并使陀螺儀的敏感軸與轉臺的轉軸保持平行，則轉臺角速率即為陀螺敏感到的角速率。

4.1 模擬輸出方式

當CRM100陀螺儀以模擬量輸出時，對于模擬信號調理電路，R1處焊接0 Ω的電阻，R2不焊接，相當于SEL0接GND；R3不焊接，R4處焊接0 Ω的電阻，相當于SEL1接GND，此時，陀螺儀的動態測量范圍為±150°/s。BW_cap引腳處電容C3選用100 nF，將陀螺的帶寬設定為33 Hz。本實驗以該測量范圍和帶寬為例，驗證模擬信號調理電路的正確性和可靠性。設定轉臺的轉速分別為±150°/s、±130°/s、±120°/s、±100°/s、±80°/s、±60°/s、±40°/s、±20°/s、±10°/s、±6°/s、±3°/s、0°/s，啟動轉臺，利用相應的模擬數據采集系統實時采集存儲陀螺的角速率信息。

利用MATLAB處理試驗數據，得到CRM100陀螺儀模擬輸出電壓值與輸入角速率之間的關系如圖4所示。

圖中，X軸表示陀螺輸入的角速率，Y軸表示陀螺模擬輸出與角速率呈一定關系的電壓值。從圖中可以看出，陀螺輸出電壓值與輸入角速率之間呈線性關系，利用最小二乘法對數據進行分析可知，當陀螺的測量范圍為±150°/s時，對應的標度因數為0.006615 V（（°）s-1），零點為 1.652118 V。

4.2 數字輸出方式

當CRM100陀螺儀以數字量輸出時，陀螺儀信號調理電路與數字數據采集電路板之間通過SPI串行通信接口進行通信。通過主機發送命令，設置陀螺的動態測量范圍為±150°/s，帶寬為33 Hz。將陀螺儀安裝在三軸角速率轉臺上，安裝方式和轉臺的轉速設定情況與模擬輸出方式下試驗時保持一致，啟動轉臺，利用相應的數字數據采集電路實時采集陀螺儀的輸出。對試驗數據進行分析，得到陀螺輸出角速率與輸入角速率之間的關系如圖5所示。

圖5 CRM100陀螺儀數字輸出標定結果Fig.5 Digital output calibration results of CRM100 gyroscope

圖中，X軸表示陀螺的輸入角速率，Y軸表示陀螺的輸出角速率。進一步可以求得陀螺在該試驗模式下標度因數為1.002829，零點為0.233622°/s。

通過上述試驗可以看出，陀螺在不同的轉速環境中，模擬輸出信號調理電路和數字輸出信號調理電路均能有效地輸出角速率信息，數據輸出穩定、正確。

5 結語

本文設計的模擬、數字2種信號調理電路，實現了CRM100陀螺儀實時數據的有效、穩定輸出。通過試驗論證，結果表明調理電路設計可靠、實用、實時性好，為后續對該型陀螺儀的測試、標校、應用奠定了基礎，具有廣泛的應用價值。

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