多通道MEMS陀螺儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔣鵬，王益祥

(南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094)

0 引言

隨著MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)的發(fā)展，微慣性傳感器廣泛地應(yīng)用在航空航天、軍品以及民品等領(lǐng)域。對(duì)于相關(guān)的慣性測(cè)量、導(dǎo)航等系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，都需要對(duì)所使用的慣性傳感器進(jìn)行檢驗(yàn)、器件篩選、性能測(cè)試?，F(xiàn)有的測(cè)試方式通常是定制相應(yīng)封裝的單片夾具，根據(jù)廠家提供的外圍電路編寫上位機(jī)軟件，然后逐片進(jìn)行測(cè)試。如果設(shè)計(jì)一款多通道慣性傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將多個(gè)器件同時(shí)進(jìn)行采集測(cè)試，這無(wú)疑會(huì)提高慣性應(yīng)用系統(tǒng)研發(fā)的效率。目前，常用的多通道慣性傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常是建立在下位機(jī)采集終端和上位機(jī)PC的系統(tǒng)架構(gòu)上。雖然這種設(shè)計(jì)方案的下位機(jī)硬件成本低，但是大多數(shù)的上位機(jī)軟件都是采用編程調(diào)試比較復(fù)雜的語(yǔ)言進(jìn)行編寫，并且開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)[1]。LabVIEW 是一種圖形化的編程語(yǔ)言，將計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力與儀器的硬件測(cè)控能力很好地結(jié)合在一起，是當(dāng)前測(cè)控領(lǐng)域的熱點(diǎn)。但是NI公司的采集卡通常價(jià)格較高[2]。因此根據(jù)上述兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于ARM采集終端和LabVIEW上位機(jī)測(cè)控軟件、利用串口通信的多通道MEMS陀螺儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)是針對(duì)國(guó)內(nèi)一款高性能MEMS數(shù)字陀螺設(shè)計(jì)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于提高慣性測(cè)量和導(dǎo)航系統(tǒng)的研發(fā)效率。通常對(duì)器件進(jìn)行檢測(cè)篩選需要測(cè)定兩方面的性能參數(shù)，一是零偏系列參數(shù)，二是標(biāo)度因數(shù)系列參數(shù)。測(cè)試零偏系列參數(shù)時(shí)，MEMS陀螺儀通過(guò)安裝夾具固定在水平基準(zhǔn)上。使MEMS陀螺儀IRA(輸入基準(zhǔn)軸)垂直于水平基準(zhǔn)面，外部無(wú)角速度輸入或者外部角速度輸入為零，記錄MEMS陀螺儀在測(cè)試時(shí)間內(nèi)的輸出[3]。測(cè)試標(biāo)度因數(shù)系列參數(shù)時(shí)，將MEMS陀螺儀安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，使IRA(輸入基準(zhǔn)軸)平行于轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸。將MEMS陀螺儀與測(cè)試系統(tǒng)連接好，在速率轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)的情況下，于正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)方向輸入角速度范圍內(nèi)，取對(duì)稱且分別不能少于一定數(shù)量的角速度檔，測(cè)試設(shè)備記錄經(jīng)過(guò)的時(shí)間與MEMS陀螺儀輸出。根據(jù)上述測(cè)試過(guò)程，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

該款型號(hào)的MEMS陀螺儀支持SPI4線制從模式，將ARM微處理器設(shè)置為主機(jī)[4]。主機(jī)將采集到的多路MEMS陀螺信號(hào)進(jìn)行的處理，再通過(guò)串口芯片將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)镽S422電平信號(hào)，利用MOXA卡轉(zhuǎn)USB接口與上位機(jī)進(jìn)行通信。由LabVIEW編寫的上位機(jī)軟件將采集的信號(hào)進(jìn)行處理、圖形顯示以及存儲(chǔ)，完成多路MEMS陀螺傳感器數(shù)據(jù)的采集。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件分為兩大部分，第一部分為上位機(jī)硬件，即PC工作機(jī)；第二部分為ARM的采集終端硬件，主要有數(shù)據(jù)采集與處理、RS422通信接口以及電源等主要功能模塊。多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件工作原理為：多通道MEMS陀螺儀輸出信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行處理，ARM采集終端通過(guò)SPI總線將調(diào)理后的多通道MEMS陀螺儀信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)制轉(zhuǎn)換、移位、計(jì)算校驗(yàn)等操作，然后將數(shù)據(jù)打包。為了系統(tǒng)時(shí)鐘的準(zhǔn)確性，本次設(shè)計(jì)選擇了8 M外圍晶振作為系統(tǒng)時(shí)鐘。通過(guò)LDO為ARM采集終端與MEMS陀螺儀進(jìn)行供電，也保證了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

ARM采集終端通過(guò)RS422通信將處理打包的數(shù)據(jù)發(fā)送至PC上位機(jī)，上位機(jī)軟件將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)正確的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)波形顯示，校驗(yàn)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行拋棄，最終根據(jù)用戶選擇的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。系統(tǒng)硬件原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件原理

2.1 數(shù)據(jù)采集終端模塊

該模塊大致由兩部分組成：多路MEMS陀螺傳感器外圍電路，ARM微控制器電路。陀螺傳感器的外圍電路主要有多個(gè)單片陀螺電路組合而成，作用是將傳感器輸出的微弱信號(hào)放大到能夠適應(yīng)其他模塊的輸入電壓要求，并將信號(hào)通過(guò)SPI通信的方式傳遞給ARM微控制器。

根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件方案以及其他功能需求，系統(tǒng)選用Cortex-M4內(nèi)核的32位處理器STM32F415RG為采集終端的控制芯片。該款A(yù)RM芯片完全能夠滿足本次數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)主控微控制器的設(shè)計(jì)要求。在進(jìn)行MEMS陀螺傳感器溫度特性的相關(guān)參數(shù)測(cè)試時(shí)，內(nèi)部時(shí)鐘容易受到溫度、震動(dòng)等外界干擾等因素的影響。因此在系統(tǒng)中，考慮串口通信以及精準(zhǔn)定時(shí)等問(wèn)題，加入了8 MHz的外部晶振，保證了頻率的穩(wěn)定性和精度。系統(tǒng)暫定采集六通道MEMS陀螺儀輸出數(shù)據(jù)，因此ARM微控制器電路如圖3所示。

圖3 ARM微控制器電路

2.2 RS422通信模塊

系統(tǒng)在進(jìn)行MEMS陀螺傳感器標(biāo)度因數(shù)相關(guān)參數(shù)測(cè)量時(shí)，傳感器載體通常固定在速率轉(zhuǎn)臺(tái)上，在速率轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這就要求數(shù)據(jù)采集的通信線要具有一定的長(zhǎng)度，但是通信線過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致SPI信號(hào)衰減，并且在數(shù)據(jù)速率很高的情況下，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線之間的時(shí)序很難嚴(yán)格保證，所以可靠的方法就是將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成電平信號(hào)后再進(jìn)行傳輸[5]。系統(tǒng)使用RS422進(jìn)行通信，選用串口芯片MAX490實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換[6]。

2.3 電源模塊

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，為了保證下位機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，避免器件載體安裝在速率轉(zhuǎn)臺(tái)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)供電電壓不穩(wěn)定的情況，需要利用穩(wěn)壓芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換及供電。在設(shè)計(jì)中，MEMS陀螺儀和串口芯片的輸入電壓為5 V，ARM微控制器的輸入電壓為3.3 V，在考慮到穩(wěn)壓芯片的最大輸出電流、系統(tǒng)功耗以及工作環(huán)境等因素，系統(tǒng)選用了LT1962-5以及LM1117-3.3兩種穩(wěn)壓芯片。電源模塊電路如圖4所示。

圖4 LDO供電

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為兩大部分：ARM采集終端軟件設(shè)計(jì)、上位機(jī)LabVIEW軟件設(shè)計(jì)。

3.1 ARM采集終端軟件設(shè)計(jì)

ARM采集終端軟件又分為SPI通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊與RS422通信模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 ARM采集終端軟件結(jié)構(gòu)

1) SPI通信模塊

系統(tǒng)所涉及到的MEMS陀螺傳感器支持SPI 4線制(CS,SCLK,MOSI,MISO)從模式，即要求ARM微控制器與MEMS陀螺傳感器建立主從關(guān)系，從機(jī)的陀螺數(shù)據(jù)以及溫度輸出從對(duì)應(yīng)的寄存器中讀取，以SPI通信的方式發(fā)送給主機(jī)ARM微控制器。多路從機(jī)復(fù)用時(shí)鐘(SCLK)、主出從入(MOSI)以及主入從出(MISO)3條SPI信號(hào)線，片選信號(hào)無(wú)復(fù)用。

陀螺數(shù)據(jù)發(fā)送SPI通訊流程：首先設(shè)置片選信號(hào)為低，初始化SPI通信，主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)控制字(0x50,0x00,0x00,0x00,0x00)，等待讀取SPI數(shù)據(jù)，然后片選信號(hào)拉高，等待緩沖區(qū)清空，從機(jī)陀螺、溫度輸出數(shù)據(jù)寫入SPI寄存器，片選信號(hào)拉低，主機(jī)從從機(jī)寄存器中讀取數(shù)據(jù)，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新構(gòu)建即高地位排序，然后等待校驗(yàn)及串口通信發(fā)送。

2) 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊的作用就是將ARM采集終端從SPI總線讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)制轉(zhuǎn)換、按照定義通道數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)移位以及補(bǔ)償處理。其中進(jìn)制轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)移位較為簡(jiǎn)單，補(bǔ)償是在完成測(cè)試后計(jì)算補(bǔ)償參數(shù)后才可進(jìn)行的步驟，所以不多做敘述。

3) RS422通信模塊

RS422通信模塊就是配置ARM采集終端與上位機(jī)測(cè)控軟件的通信協(xié)議，保證通信的實(shí)時(shí)性與可靠性。在通信模塊中，首先配置ARM微處理器相應(yīng)的引腳資源，根據(jù)其片上I/O資源選定進(jìn)行RS422數(shù)據(jù)通信的引腳，配置其工作模式、輸出模式等。為了保證上位機(jī)測(cè)控軟件與采集終端之間通信的可靠性及實(shí)時(shí)性，需要制定相應(yīng)的RS422通信協(xié)議，除了基本通信數(shù)據(jù)格式外，還應(yīng)包括數(shù)據(jù)頭標(biāo)識(shí)符的約定。系統(tǒng)RS422通信協(xié)議約定如下：基本通信數(shù)據(jù)格式約定為：波特率(230 400)，數(shù)據(jù)比特(8)，奇偶校驗(yàn)位(N)，停止位(1)。

3.2 LabVIEW上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件部分的主要功能是將ARM采集終端發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，根據(jù)通訊協(xié)議中定義的數(shù)據(jù)幀頭，計(jì)算每一幀數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，驗(yàn)證正確的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)算，然后進(jìn)行實(shí)時(shí)波形圖顯示，錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行拋棄處理。最后根據(jù)用戶定義的路徑存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。上位機(jī)軟件的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)

1) 采集程序前面板設(shè)計(jì)

主程序的前面板設(shè)計(jì)主要包括串口通信配置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制以及數(shù)據(jù)圖形顯示三個(gè)部分。串口通信配置主要設(shè)置串口通道、采樣時(shí)間以及數(shù)據(jù)保存路徑，當(dāng)串口選擇錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)會(huì)彈出對(duì)話框顯示“無(wú)此串口或該串口被其他應(yīng)用軟件占用！”。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制主要設(shè)置采集數(shù)據(jù)是否保存以及保存路徑等。結(jié)束按鈕功能是假如在采樣過(guò)程中如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)漏包或者其他問(wèn)題，可以在采樣時(shí)間到達(dá)之前提前結(jié)束采樣，然后檢測(cè)調(diào)整上位機(jī)程序。在其他的實(shí)際運(yùn)用中，可以根據(jù)下位機(jī)通訊修改串口通道、波特率、采樣時(shí)間等，也可以根據(jù)測(cè)試需求修改數(shù)據(jù)采集的通道數(shù)。

2) 上位機(jī)軟件主程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)采集主程序包括串行通信、數(shù)據(jù)處理兩大模塊。

在LabVIEW功能面板的Instrument I/O>serial目錄下，包含一系列串行通信所需要的程序模塊。利用這些程序模塊，可方便地設(shè)計(jì)出基于串行通信的測(cè)試控制系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)處理模塊的主要功能是將從ARM下位機(jī)采集終端讀取來(lái)的MEMS陀螺儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用于實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示功能。采樣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示部分功能是將數(shù)據(jù)解算后的數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行抽取，然后按照不同通道將采樣數(shù)據(jù)以波形圖的形式實(shí)時(shí)顯示，最后將數(shù)據(jù)按照指定路徑進(jìn)行存儲(chǔ)。

其中，數(shù)據(jù)解算部分為調(diào)用的子VI。該VI中主要是將多個(gè)通道傳遞到上位機(jī)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理。處理操作包括給每幀數(shù)據(jù)即六通道MEMS陀螺儀輸出添加數(shù)據(jù)幀頭(5555)，用以區(qū)別每一幀數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，滿足校驗(yàn)會(huì)點(diǎn)亮指示燈。然后校驗(yàn)正確的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)重建，將不同的通道的輸出提取出來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式強(qiáng)制轉(zhuǎn)換，最后重建后的數(shù)據(jù)以數(shù)組的形式發(fā)送出來(lái)。

4 驗(yàn)證

系統(tǒng)是應(yīng)用于某慣性導(dǎo)航系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中對(duì)MEMS陀螺儀的檢驗(yàn)、篩選、性能測(cè)試等各項(xiàng)試驗(yàn)。圖7是針對(duì)國(guó)內(nèi)某款MEMS陀螺傳感器的零位變化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與波形顯示。在LabVIEW的上位機(jī)串行通信設(shè)置中，根據(jù)設(shè)備管理器串口配置，選擇通道為COM2,波特率為230 400，采樣時(shí)間600 s。

從系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，上位機(jī)與下位機(jī)通訊正常，而且數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中沒(méi)有漏包。而從采樣數(shù)據(jù)的輸出波形圖中可以觀察到1號(hào)、2號(hào)與6號(hào)MEMS陀螺傳感器零位較為穩(wěn)定，3號(hào)存在較為明顯的毛刺信號(hào)，猜測(cè)可能是檢測(cè)環(huán)境受到外界影響導(dǎo)致，而4號(hào)與5號(hào)噪聲較大而且輸出信號(hào)特性類似于正弦波，器件性能存在缺點(diǎn)。根據(jù)數(shù)據(jù)接收區(qū)域中可以觀察到數(shù)據(jù)符合通訊參數(shù)設(shè)置(六通道陀螺儀數(shù)據(jù)：每通道包括4個(gè)字節(jié)陀螺輸出，2個(gè)字節(jié)溫度輸出；校驗(yàn)和1個(gè)字節(jié)；數(shù)據(jù)幀頭“5555”2個(gè)字節(jié)，每幀共39個(gè)字節(jié))。說(shuō)明系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)預(yù)期效果，可以起到檢驗(yàn)、篩選，性能測(cè)試等功能作用，設(shè)計(jì)切實(shí)可行的。

圖7 實(shí)時(shí)波形顯示與數(shù)據(jù)監(jiān)控圖

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)的多通道采集系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，上位機(jī)與下位機(jī)通信正常，多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作正常且穩(wěn)定，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的預(yù)期要求，大大提高了在慣性系統(tǒng)研發(fā)初期的工作效率。在相關(guān)慣性系統(tǒng)研究中，可以根據(jù)后期需求與其他實(shí)際應(yīng)用對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的修改與優(yōu)化，使系統(tǒng)功能更加豐富。

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