基于FPGA的壓電陀螺數字化檢測電路設計*

李國斌， 吳校生

(上海交通大學 電子信息與電氣工程學院 微納電子學系 微米納米加工技術國家級重點實驗室，上海市北斗導航與位置服務重點實驗室，上海 200240)

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基于FPGA的壓電陀螺數字化檢測電路設計*

李國斌， 吳校生

(上海交通大學 電子信息與電氣工程學院 微納電子學系 微米納米加工技術國家級重點實驗室，上海市北斗導航與位置服務重點實驗室，上海 200240)

針對壓電微固體模態陀螺的信號采集與算法要求，設計了基于現場可編程門陣列(FPGA)的兼具高精度高采樣頻率的陀螺數字檢測系統。介紹了該系統的原理與實現方法。FPGA主控芯片選擇XC6SLX25，ADC選擇AD7960芯片(18 bit，5MSPS)。經試驗驗證，制作的樣機可以同時采集三路輸出信號，并實時處理傳給上位機顯示。測得陀螺共振頻率穩定在349.89 kHz，上下波動范圍8 Hz，參考端輸出電壓峰峰值的均方差為0.004 V。檢測系統穩定，具有較高精度。研究的數字化檢測電路能很好地應用于MEMS微陀螺檢測信號的處理，提高MEMS微陀螺的穩定性和抗干擾性。

壓電陀螺； 現場可編程門陣列； 數字檢測； FIR濾波； 高精度； 高采樣頻率

0　引　言

陀螺是用于測量運載體姿態角或角速度的一種慣性傳感器。隨著微電子機械系統(MEMS)[1]技術的發展，MEMS微陀螺儀以其尺寸小、功耗低、抗干擾能力強等特點，在汽車導航、消費電子以及航空航天等領域擁有廣闊的發展前景。

當前，MEMS微陀螺的檢測電路大多采用模擬技術來實現，但是存在抗干擾能力弱，調試及控制系統復雜等不足。隨著數字接口芯片(AD/DA)性能的提高，數字電路替代部分模擬電路是一種必然趨勢。現有的數字電路檢測技術，還主要是針對30 kHz以下的低頻陀螺信號[2]，本文研究的壓電式微固體模態陀螺的參考振動頻率340～400 kHz，該頻率段微陀螺數字檢測電路對采樣頻率和分辨率有更高的要求，對它的研究目前尚未見報道。

本文采用基于現場可編程門陣列(FPGA)的數字檢測技術，完成硬件電路和檢測邏輯設計，搭建測試平臺，完成陀螺檢測電路數字化測試。

1　壓電型微固體模態陀螺工作原理

圖1為壓電微固體模態陀螺(piezoelectric micro-solid modal gyro,PMMG)的總體結構示意圖，陀螺的核心部件是壓電長方體振子。處于共振模態的陀螺，當沿著x軸方向上有角速度輸入時，由于科氏效應，會在z方向產生科氏力Fc，從而在z方向產生相應的拉伸或壓縮運動。y軸上的一對檢測電極(如S1,S2)在參考振動模態下振幅相同，運動方向相反，科式效應下它們會受到相反的科氏力，導致這兩個檢測電極上的輸出信號變化相反，且變化值與外界輸入角速度成正比，據此通過外圍電路對感應電荷或電壓進行放大和量化，得到外界輸入角速度的大小[3]。

圖1　壓電微固體模態陀螺結構與工作原理

2　系統設計原理

2.1陀螺檢測原理分析

陀螺的硬件電路設計中，采用了載波調制，因此需要對陀螺輸出信號進行解調[4]。記陀螺沒有角速度輸入時的振動為本振，假設本振時S1,S2電極上的電荷量經電荷放大器后的電壓Vsencor_s1和Vsencor_s2為Vcosωt。當外界有角速度輸入時，傳感電極S1和S2的電荷量發生相應變化，引起相應的電壓值改變

Vsensor_S1=Vcos(ωt)+ΔVcos(ωt+φ)

(1)

Vsensor_S2=Vcos(ωt)-ΔVcos(ωt+φ)

(2)

這種變化經過相減(Vsensor_S1-Vsensor_S2)后，得到和角速度相關的信號為

Vrotate=2ΔVcos(ωt+φ)

(3)

此時若從參考電極R1引入一個同頻同相的參考信號Rcos(ωt+φ)作為解調信號，即可將ΔV解調出來，即

Vrotate×Rcos(ωt+φ)=2ΔVcos(ωt+φ)×Rcos(ωt+φ)

=RΔV+RΔVcos(2ωt+2φ)

(4)

式中經解調后的信號經過低通濾波后，只留下低頻量RΔV，此時，反映陀螺旋轉的信號即被提取出來。此處R是參考信號的幅值。

2.2陀螺驅動與檢測系統總體框圖

如圖2所示，陀螺閉環驅動電路(closed loop driving circuit,CLDC)主要包括自動增益控制(AGC)、鎖相環(PLL)、電荷放大器和單端轉差分放大電路[5]。

陀螺輸出信號包括兩路檢測信號Sen1，Sen2和第三路參考信號Ref3。三路信號經AD采樣轉為數字信號后，送給FPGA進行差分、混頻、低通濾波等處理，最終解調結果通過RS—232通信協議經串口發送給上位機實時顯示。

圖2　陀螺CLDC與檢測系統框圖

3　檢測方法的具體實現

3.1AD采樣

由于壓電型微固態模態陀螺體積小，決定了反映角速度變化的壓電體電荷變化量很小，輸出信號非常微弱。另外，陀螺共振頻率350 kHz左右，根據奈奎斯特采樣定理，須以大于2倍的采樣速率進行采樣。因此，既要保證足夠高的采樣精度，又要保證足夠大的采樣頻率。在本系統中，選用ADI推出的業界最快的18位、最高吞吐速率5MSPS模數轉換器AD7960[6]，滿足對陀螺采樣的要求。

3.2FPGA處理

根據檢測原理，將采集到的兩路檢測信號S1,S2差分處理得到與角速度相關的信號。再將其與參考信號R進行混頻,得到低通濾波前的信號。低通濾波采用128階有限長單位脈沖響應(FIR)數字低通濾波器[7]。濾波后的結果即為與陀螺角速度線性相關的量。通過標定可以計算出陀螺旋轉的角速度。

與上位機的通信設計采用RS—232標準的異步串行通信接口(UART)。將FPGA處理完的數據送至計算機，進行數據保存及實時繪制波形。

圖3　檢測系統硬件平臺框圖

4　檢測系統硬件平臺

檢測系統以FPGA為核心。選用Xilinx公司spartan—6系列的XC6SLX25芯片[8]。本系統中選擇帶有SPI Flash的主動串行(Master Serial)配置模式[9]。檢測系統硬件主要部分框圖見圖3。

5　實驗結果與分析

5.1采樣陀螺輸出信號

圖4為本振時陀螺參考端輸出信號經移相后的采樣結果。將參考端量化電壓值轉換為實際輸出電壓，得到參考端輸出電壓峰峰值1.496 V，峰峰值的波動均方差為0.004 V，由此可知，作為反映陀螺效應的系數，陀螺參考端幅值穩定性很好。

圖4　參考信號AD采樣結果

5.2128階FIR濾波器濾波效果實測

從函數信號發生器輸出正弦信號，進行掃頻，頻率范圍0.1～100 kHz，時間200 s，對該信號進行采樣與128階FIR低通濾波，結果如圖5所示。

圖5　0～100 kHz掃頻低通濾波

可發現該FIR數字低通濾波器能很好滿足本系統要求。閉環驅動下的系統頻率的穩定性測試結果，如圖6所示。

圖6　閉環陀螺頻率的穩定性

實驗針對同一個陀螺樣品，共測試3次，每次時間間隔為1 h。從圖6中可以看出系統頻率穩定在349.89 kHz，上下波動范圍8 Hz。從圖中還可以看出頻率的穩定需要一個過程，原因是，電路中各個元器件的熱穩定需要時間，其中包括了陀螺器件自身的振動穩定過程。由壓電體陀螺的機械性能知，壓電體本身是個儲能的器件，起振的過程中與之進行的是電能到機械能的轉換，這個過程中陀螺器件本身的頻率點也不固定，會隨著能量轉換的變化而變化，直到能量儲蓄完成。因此，這個穩定的過程需要一段時間。另外，陀螺沒有采用真空封裝，環境因素的影響也會增加其穩定時間。

6　結　論

針對壓電式微固體模態陀螺工作頻率高，檢測信號微弱的特點，本文提出了一種基于FPGA的高精度(18位)高采樣頻率(4MSPS)數字檢測系統，對陀螺信號進行了采集與數字信號處理，實時發送到上位機顯示。測試結果表明:諧振時系統的各項性能穩定，硬件電路工作良好，檢測系統可靠性高，AD采樣和FPGA處理均正確，實驗結果與理論分析相一致，這為下一步檢測陀螺有外界角速度輸入下的變化提供了很好的軟硬件平臺。

[1]劉昶.微機電系統基礎 [M].2版.北京：機械工業出版社,2013:1-11.

[2]Guo Zhanshe,Cheng Fucheng,Li Boyu,et al.Research development of silicon MEMS gyroscopes:A review[J].Microsystem Technologies,2015,21:2053-2066.

[3]Wu X S,Chen W Y,Lu Y P,et al.Vibration analysis of a piezo-electric micromachined modal gyroscope(PMMG)[J].Micromech Microeng,2009,19(12):125008.

[4]He Yongsong,Wu Xiaosheng,Zheng Fu,et al.Closed-loop driving and detect circuit of piezoelectric solid-state micro gyroscope[J].Microsystem Technologies,2014,20:185-191.

[5]He Yongsong,Wu Xiaosheng.Study on driving technology of piezoelectric solid-state micro gyroscope[J].Applied Mechanics and Materials,2013,278-280:817-820.

[6]Analog Devices Inc.AD7960Datasheet[EB/OL].[2013—08—13].http:∥www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD7960.pdf.

[7]程佩青.數字信號處理教程[M]. 3版.西安:西安電子科技大學出版社,2008:323-369.

[8]Xilinx Inc.Spartan—6 family overview[EB/OL].[2011—10—25].http:∥china.xilinx.com/support/documentation/data_sheets/ds160.pdf.

[9]Xilinx Inc.Spartan—6 FPGA configuration user Guide[EB/OL].[2014—10—29].http:∥china.xilinx.com/ support/ documentation/user_guides/ug380.pdf.

吳校生，通訊作者，E—mail:xswu@sjtu.edu.cn。

Design of digital detection circuit for piezoelectric gyroscope based on FPGA*

LI Guo-bin, WU Xiao-sheng

(National Key Laboratory of Science and Technology on Micro/Nano Fabrication Laboratory,Shanghai Key Laboratory of Navigation and Location-based Services，Department of Micro/Nano Electronics,School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240, China )

To meet requirement of signal acquisition and algorithm of piezoelectric micro solid modal gyroscope,design a digital detection system with high precision and high sampling frequency based on FPGA.The principle and realization approach are presented.The main control chip of FPGA uses XC6SLX25 and ADC adopts AD7960 chip(18-bit,5MSPS).It is verifred by test that the prototype can acquire three-path output signals of the gyroscope at the same time, and sends the processed data to upper PC for displaying.The measured resonant frequencies is stabilize around 349.89kHz,fluctuating range is 8 Hz.The mean square error of reference voltage Vpp is 0.004 V.The detection system is stable and has high precision.This digital detection circuit can be well applied for MEMS microgyroscope signal processing and enhances the stability and anti-jamming of microgyroscope.

piezoelectric gyroscope; FPGA; digital detection; FIR filtering; high precision; high sampling rate

10.13873/J.1000—9787(2016)09—0092—03

2015—11—25

教育部支撐項目(625010117)；上海市科委浦江人才計劃資助項目(14PJD022)

TN 911

A

1000—9787(2016)09—0092—03

李國斌(1990-)，男，安徽池人，碩士研究生，主要研究方向為MEMS傳感器。