[发明专利]一种基于FPGA的微小型惯性测量单元

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种基于FPGA的微小型惯性测量单元，属于电路技术领域。

背景技术

随着微型制造技术和MEMS技术发展，以新一代微型MEMS陀螺仪和MEMS加速度计为基础的MEMS微小型测量单元迅速发展起来，广泛应用在微型飞行器、微小机器人、个人导航定位设备、辅助GPS导航等领域。

传统系统的设计思想是利用DSP或单片机实现数据采集和处理，但是单片机在算法实现上速度较慢，无法满足系统高速实时的要求，DSP虽然在算法实现上较快，但外围电路较复杂，需要配置较多的逻辑转换等器件，增加的芯片数量不易满足系统小型化的要求，同时这些方案存在开发周期比较长，不能针对变化、灵活修改硬件设计等局限。

FPGA是现场可编程门阵列（field programmable GateArray）的缩写，它采用逻辑单元阵列作为基本单元，内部包括可配置逻辑模块、输入输出模块和内部连线三部分。主要特点有：（1）FPGA利用内部逻辑单元阵列组成硬件电路实现系统设计，系统并行处理能力突出；（2）FPGA具有丰富且可方便配置的I/O端口，使电路设计和系统布局布板更加便利简洁；（3）FPGA可以进行模块化设计，方便模块的复用，特别是IP核的利用，使系统开发更加灵活方便。

发明内容

本发明的目的：克服现有技术的不足，设计一种以FPGA为核心的全数字式惯性测量单元，可以提高系统的抗干扰能力，并且更利于系统的小型化和集成化。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于FPGA的微小型惯性测量单元，其特征是，包括三轴MEMS加速度计模块、三轴MEMS陀螺仪模块、温度传感器模块、信号处理器、RS232电平转换模块及电源管理模块；

电源管理模块为其他所有模块提供供电电压；

三轴MEMS加速度计模块实时感知载体X、Y、Z三个轴向的加速度信息，并实时传送到信号处理器；

三轴MEMS陀螺仪模块实时感知载体X、Y、Z三个轴向的角速度信息，并实时传送到信号处理器；

温度传感器模块感知载体周围的环境温度信息，并实时传送到信号处理器；

信号处理器对收到的数据进行标定和补偿，由RS232电平转换模块将载体的加速度和角速度信息转换成符合RS232协议的格式发送出去。

所述信号处理器即FPGA芯片，利用VerilogHDL语言在FPGA芯片上实现信息采集接口、数据格式转换、存储，并且对陀螺仪和加速度计数据进行标定和补偿。

信号处理模块包括数据转换与处理模块、标定与温度补偿模块、带有发送FIFO和接收FIFO的UART模块，以及多个SPI 接口。

信号处理模块与三轴MEMS加速度计模块、三轴MEMS陀螺仪、温度传感器模块之间采用SPI通讯协议通信，SPI 接口包括片选信号、串行时钟输入，主输入从输出、主输出从输入四个端口，信号处理模块作为SPI通信的主机，给出片选信号、时钟信号和控制字。

带有发送FIFO和接收FIFO的UART模块实现惯性数据的暂存和RS232格式输出。

数据转换与处理模块对三轴MEMS加速度计模块和三轴MEMS陀螺仪感知的数据进行解析；

标定与温度补偿模块对零偏、刻度因子非线性、安装误差和温度补偿进行处理。模块根据标定试验测得的惯性测量单元三个轴向的静态、动态误差系数进行补偿。

本发明所达到的有益效果：

（1）以FPGA芯片作为系统信号处理器，以其并行运算的优点，减少系统运行周期，减少了系统的硬件误差。系统外围芯片少，利于实现整个系统的小型化。

（2）系统全部采用数字式传感器，板上信号均为数字信号，可以有效提高系统的抗干扰能力，提高系统的测量精度。

（3）系统利用FPGA的丰富的IO口资源，设计多个SPI接口，是所有的传感器均并行运行，同时启动采集外界信息，可以提高测量的时间一致性，减少量测误差。

所有的传感器均并行运行，利于系统的时间对准和测量一致性，可以减小系统的测量误差。

附图说明

图1  惯性测量单元原理框图；

图2　信号处理模块原理框图；

图3  加速度计模块电路图；

图4  陀螺仪模块电路图；

图5  温度传感器模块电路图；

图6  RS232电平转换模块电路图；

图7  信号处理器模块电路图；