基于KXR94加速度計的 微型慣性測量裝置設計

陀螺儀用來(lái)測量載體的運動(dòng)角速度。本設計中選用InvenSense公司生產(chǎn)的IDG-300雙軸陀螺，其精度穩定在±3°／s以?xún)刃枰?00 ms。該器件采用3．0～3．3 V供電；測量偏航角速度的范圍是±500°／s，靈敏度為2 mV／(rad?s－1)，零位輸出電壓為1．5 V；通過(guò)外部電阻和電容可分別設定測量角速度的范圍、帶寬及零位輸出電壓。其原理圖如圖2所示。

此陀螺未對內部溫度和電壓引起的波動(dòng)進(jìn)行補償，在設計中要充分考慮?？蓮膬蓚€(gè)方面來(lái)彌補其不足：①在電路板布局設計時(shí)，陀螺和加速度計芯片要盡量遠離電路板上電源、串口等發(fā)熱和電壓波動(dòng)大的芯片；②在軟件算法設計時(shí)，運用陀螺的溫度漂移系數對其進(jìn)行修正。
1．2 硬件電路設計
DSP采用TI公司發(fā)布的C2000系列32位定點(diǎn)信號處理器TMS320F2812。其整合了高性能的DSP內核、128 KB的片上Flash存儲器、16路12位A／D轉換器以及SCI串行通信接口。傳感器單元所測得的模擬量經(jīng)集成在DSP片上的A／D轉換器采集寫(xiě)入片上Flash。所有信息在通過(guò)DSP的捷聯(lián)慣導處理后得到被測目標的位置信息。最終結果通過(guò)RS232直接發(fā)送至上位機，并顯示輸出。
在系統的構建中使用了2個(gè)IDG－300型陀螺儀，其中一個(gè)軸向的角度測量可以作為冗余設計。又因算法要求對加速度計和陀螺模擬信號的采集嚴格控制在同一時(shí)刻，故選用了2片AD684采樣保持放大器。AD684的每個(gè)采樣通道可以在1μs內完成采樣，而信號的損失率不高于0．01 μV／μs，且擁有很好的線(xiàn)性度和交流特性。AD684的控制信號為S／Hn，將此引腳拉低則進(jìn)行采樣保持。系統將2片AD684的S／Hn信號連接到DSP的1個(gè)I／O引腳上，這樣可將所有采集信號采樣保持，為DSP采集做好準備。圖3是慣性測量裝置的硬件連接圖。DSP外設部分采用3．3 V供電，故其SCI引腳的信號特性為T(mén)TL電平。在實(shí)際使用時(shí)通常需要將TTL電平轉換為RS232電平。系統中選用MAX3232將DSP的SCI接口信號轉換成計算機的RS232信號進(jìn)行通信。這是因為RS232的工作范圍是－15～+15 V。如此寬的范圍即使存在電壓衰減，傳輸信號也可以被可靠地識別；而一般情況下傳輸線(xiàn)路越長(cháng)，衰減就越嚴重。因此，在同等情況下RS232更能實(shí)現長(cháng)距離傳輸。為了使裝置實(shí)現遠距離傳輸，同時(shí)考慮到RS232接口的通用性，本系統選擇MAX3232用于與上位計算機通信。

2 系統軟件設計
慣性導航系統屬于一種推算導航方式，即根據連續測得的運載體航向角和速度，從一已知點(diǎn)的位置推算出其下一點(diǎn)的位置，因而可連續測出運動(dòng)體的當前位置。慣性導航系統中的陀螺儀用來(lái)形成一個(gè)導航坐標系，使加速度計的測量軸穩定在該坐標系中，并給出航向和姿態(tài)角；加速度計用來(lái)測量運動(dòng)體的加速度，經(jīng)過(guò)對時(shí)間的一次積分得到速度，再經(jīng)過(guò)對時(shí)間的一次積分即得到距離。故該裝置在測量載體角速度與加速度信息的基礎上，能夠確定運載體的位置和地球重力場(chǎng)參數，從而實(shí)現載體的多種運動(dòng)狀態(tài)信息的測量。本系統在DSP復位以后，首先進(jìn)行芯片的初始化，配置PLL、ADC、GPIO、SCI等各個(gè)功能模塊，之后對AD684等外設進(jìn)行配置；當AD684完成加速度計和陀螺儀的信號采集后，進(jìn)入定位解算程序，將結果存入緩沖區；最后向上位機輸出定位信息。系統軟件流程如圖4所示。