MEMS陀螺儀驅(qū)動與檢測電路設(shè)計

王濤 王松 崔智軍

摘 要：傳統(tǒng)陀螺儀的測控電路是由分立的模擬電路組成，陀螺儀輸出信號的性能易受溫度等環(huán)境因素影響。針對以上問題，文章基于Altera公司的MAX系列FPGA芯片，設(shè)計實現(xiàn)了MEMS陀螺儀的驅(qū)動與檢測電路系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包含PLL模塊、ADC控制模塊、數(shù)據(jù)解算模塊、DDS模塊、自動增益控制模塊和SPI控制模塊。通過FPGA開發(fā)板進(jìn)行下板測試，由PC端的信號采集與測試平臺得出：掃頻模式下MEMS陀螺儀三軸的諧振頻率分別為5 485、5 513、5 462 Hz;閉環(huán)模式下MEMS陀螺儀三軸的角速度分別為0.000 193，0.003 409和0.005 329;同時系統(tǒng)運行穩(wěn)定，實時性比較好，為后續(xù)的標(biāo)定和測試奠定了一定的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：微機(jī)械陀螺儀;MEMS技術(shù);FPGA

0 引言

MEMS技術(shù)^[1-2]結(jié)合了微精密機(jī)械加工技術(shù)和半導(dǎo)體制造技術(shù)等先進(jìn)制造技術(shù)，同時涵蓋了如微電子學(xué)、材料學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、機(jī)械學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域。硅微機(jī)械陀螺儀是MEMS技術(shù)在慣性導(dǎo)航領(lǐng)域的重要應(yīng)用之一，它利用哥氏（Coriolis）效應(yīng)測量敏感軸的輸入角速率^[3-4]。傳統(tǒng)陀螺儀的測控電路主要由分立的模擬元器件組成，其輸出信號性能參數(shù)易受環(huán)境溫度的影響^[5-6]，同時諸多先進(jìn)的信號處理算法也難以實現(xiàn)^[7]，最終限制了陀螺儀測控電路性能的提升。本文采用FPGA進(jìn)行陀螺儀測控電路的設(shè)計，可以有效地降低角速度輸出噪聲，提高輸出角速度數(shù)據(jù)的精度。

1 MEMS陀螺儀工作原理

MEMS陀螺儀由上下左右4個彈簧振子組成，彈簧振子的兩端是極性電容，當(dāng)外部給陀螺驅(qū)動信號時，彈簧振子會發(fā)生震動，拉動兩端的極性電容，致使電容的大小發(fā)生變化，當(dāng)電容發(fā)生變化時，會產(chǎn)生相應(yīng)的正弦波信號，這個正弦波信號就是陀螺產(chǎn)生的驅(qū)動反饋信號（左右方向），豎直方向為外部輸入的驅(qū)動信號。MEMS陀螺儀通常有兩個方向的可移動電容板。外部給陀螺儀徑向的電容板加震蕩電壓促使物體作徑向運動，橫向的電容板可以測量出橫向的科里奧利力因為橫向運動帶來的電容變化。因為科里奧利力正比于角速度，所以通過電容的變化可以計算出角速度。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于FPGA的MEMS陀螺儀驅(qū)動與檢測電路設(shè)計由6個模塊組成，系統(tǒng)總體結(jié)果框圖如圖1所示，分別是時鐘分頻模塊、ADS1278驅(qū)動模塊、數(shù)據(jù)結(jié)算模塊、DDS控制驅(qū)動模塊、FPGA總控制模塊、SPI驅(qū)動模塊。系統(tǒng)工作時，DDS模塊發(fā)送驅(qū)動信號給陀螺儀，使陀螺儀產(chǎn)生反饋信號通過AD采集將信號傳入FPGA的解算模塊，然后將解算的值在總控制模塊中進(jìn)行閉環(huán)控制，通過改變驅(qū)動信號幅值形成一個閉環(huán)回路，SPI模塊可以將FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)實時傳輸給上位機(jī)，以便上位機(jī)控制和測試。

3 系統(tǒng)測試與驗證

在完成FPGA系統(tǒng)所有的模塊代碼編寫與各模塊功能測試后，將全部的模塊組合成一個頂層模塊，然后全編譯總工程。將編譯綜合后生成的工程下載到FPGA開發(fā)板中，下載完成后打開PC端的信號采集與控制平臺軟件，可以看到系統(tǒng)首先默認(rèn)以閉環(huán)模式運行。陀螺儀正常工作的前提是靜電驅(qū)動先得到諧振頻率，此系統(tǒng)在掃頻模式下可以自動尋找陀螺儀的諧振頻率，通過PC軟件設(shè)置系統(tǒng)的工作模式為掃頻模式，可以觀察到系統(tǒng)開始對陀螺儀進(jìn)行掃頻，經(jīng)過2 min左右得到如圖2所示諧振頻率點的諧振頻率，可以看到此陀螺表頭三軸陀螺的諧振頻率分別為5 485，5 513和5 462?Hz。

當(dāng)系統(tǒng)測試在掃頻模式下得到諧振頻率后，在系統(tǒng)中將驅(qū)動信號的默認(rèn)頻率設(shè)置為諧振頻率，設(shè)置驅(qū)動信號賦值為1.9 V，然后開始閉環(huán)檢測，可以觀測到角速度的結(jié)果是由檢測信號賦值乘以12相位差，測試結(jié)果如圖3所示分別為 0.000 193，0.003 409和0.005 329。

4 結(jié)語

基于FPGA的MEMS陀螺儀驅(qū)動與檢測電路設(shè)計，主要實現(xiàn)了陀螺儀數(shù)據(jù)實時上報PC端，能夠?qū)υ撓到y(tǒng)進(jìn)行仿真，可以在系統(tǒng)掃頻模式下得到驅(qū)動賦值和陀螺儀的諧振頻率，由于不同的表頭諧振頻率不同，所以需要不同頻率的驅(qū)動信號對陀螺儀進(jìn)行驅(qū)動。通過FPGA對測控電路進(jìn)行閉環(huán)控制，實現(xiàn)了電路的輸出、自標(biāo)定、自檢測、自補(bǔ)償，提高了陀螺的測量精度，讓其提高在不同溫度下、不同環(huán)境中的適應(yīng)能力，對陀螺儀測控系統(tǒng)的數(shù)字化有著重要意義。

基金項目：安康學(xué)院2019年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目;項目編號：201911397010 。安康學(xué)院2020年省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目;項目編號：S202011397053。

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（編輯?何 琳）

Design of driving and detecting circuit for MEMS gyroscope

Wang Tao， Wang Song， Cui Zhijun

（College of Electronic and Information Engineering， Ankang University， Ankang 725000， China）

Abstract：Since the measurement and control circuit of traditional gyroscope is composed of discrete analog circuits， the performance of the gyroscopes output signal is susceptible to temperature and other factors. Based on Alteras MAX series FPGA chips， this paper designs and implements the MEMS gyroscope driving and detection circuit system. The system mainly includes PLL module， ADC control module， data calculation module， DDS module， automatic gain control module and SPI control module. The FPGA development board is used to test the system through signal acquisition and testing platform based on PC： the resonant frequencies of the three axes found in the sweep mode are 5 485， 5 513， and 5 462 Hz; the angular velocity of the three axes of the MEMS gyroscope in closed-loop mode is 0.000 193， 0.003 409， and 0.005 329; the system is stable in operation and strong in real-time， which lays a certain foundation for subsequent calibration and testing.

Key words：micromechanical gyroscope; MEMS technology; FPGA

作者簡介：王濤（1997—?），男，陜西寶雞人，工程師，學(xué)士;研究方向：嵌入式系統(tǒng)集成。