MEMS陀螺儀CRM100的信號調(diào)理電路設(shè)計

胡陳君 ，李 杰 ，2，景增增 ，石璽文

（1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國防科技重點實驗室，太原 030051；2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原 030051）

MEMS陀螺儀是微慣性測量組合的主要部件，其性能的好壞直接影響慣性測量的精度[1-2]。因此，準確評價其性能精度，對陀螺儀測量誤差分析和標定，已成為使用過程的重要環(huán)節(jié)[3-4]。CRM100陀螺儀是SILICON SENSING公司生產(chǎn)的一種新型的高精度角速率陀螺儀，既可以輸出與角速率呈線性關(guān)系的模擬量，也可以通過SPI協(xié)議直接輸出數(shù)字量[5]。

本文在分析CRM100信號輸出特點的基礎(chǔ)上，設(shè)計了模擬信號和數(shù)字信號的調(diào)理電路，并組裝系統(tǒng)實物樣機，為進一步分析陀螺誤差源，確定誤差的隨機散布規(guī)律，考核性能指標做準備。最后，通過三軸位置速率搖擺溫控轉(zhuǎn)臺對MEMS陀螺儀CRM100的信號調(diào)理電路進行試驗驗證，標定陀螺儀參數(shù)，建立角速率模型方程，對規(guī)律性誤差給予補償，提高了陀螺儀的實際使用精度。

1 CRM100陀螺儀

CRM100是PinPoint高精度單軸陀螺儀，采用第5代VSG陀螺技術(shù)，具有低功耗、體積小、輸出穩(wěn)定等特點，尺寸為 5.7 mm×4.8 mm×1.2 mm，零位穩(wěn)定性為24°/h，角度隨機游走為 0.28°/h，采用 3.3 V供電，功耗為4 mA[5]。

為了方便用戶安裝，陀螺儀采用陶瓷LCC貼片式，抗沖擊和振動，適應(yīng)于惡劣環(huán)境，易于集成，能夠廣泛應(yīng)用于慣性測量和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中。

2 模擬信號調(diào)理電路

CRM100陀螺儀工作在模擬信號輸出模式下時， 具備 75°/s、150°/s、300°/s和 900°/s 4 個可選擇的動態(tài)測量范圍，同時還可以依據(jù)實際需要調(diào)節(jié)帶寬。模擬信號調(diào)理電路原理圖如圖1所示。

圖1 模擬信號調(diào)理電路原理Fig.1 Analog signal conditioning circuit schematic diagram

通過控制CRM100陀螺儀的MODE_SEL的輸入調(diào)節(jié)信號輸出方式，當MODE_SEL與GND相連接時，陀螺儀輸出模擬量。陀螺儀的動態(tài)測量范圍可以通過輸入組合方式調(diào)節(jié)，為了方便實際工程應(yīng)用，使設(shè)計的調(diào)理電路具有通用性，本文設(shè)計了圖1的連接方式，將SEL0分別經(jīng)電阻連接到GND和VCC，當 R1為 0 Ω 電阻，R2電阻無窮大時，相對于SEL0的輸入為GND，當R1電阻為無窮大，R2為0 Ω電阻時，相對于SEL0的輸入為VCC，SEL1的控制方式類似。 本設(shè)計通過改變 R1、R2、R3、R4電阻的阻值和焊接方式，能夠很方便地對動態(tài)測量范圍進行調(diào)節(jié)。具體調(diào)節(jié)方式如表1所示。

表1 模擬輸出模式下測量范圍的調(diào)節(jié)Tab.1 Measurement range adjusting for analog output mode

在調(diào)節(jié)陀螺儀的動態(tài)測量范圍時，切記不能令R1=R2=0 Ω或R3=R4=0 Ω，否則將導(dǎo)致陀螺儀供電出現(xiàn)問題，燒壞器件，造成不可恢復(fù)的損害。

在實際應(yīng)用中，還需調(diào)節(jié)傳感器的帶寬，本設(shè)計提出了一種簡便易行的調(diào)節(jié)方式，通過改變電容C3的容值，來調(diào)節(jié)帶寬，使信號調(diào)理電路能應(yīng)用于不同的帶寬要求場合。C3的不同容值所對應(yīng)的典型帶寬如表2所示。

表2 C3的不同容值所對應(yīng)的帶寬Tab.2 Corresponding bandwidth based on different C3values

模擬信號具有輸出連續(xù)性，實時反映陀螺儀的角速率信息，動態(tài)測量范圍可調(diào)，信號寬度可控的優(yōu)點，但信號傳輸易受干擾，且后續(xù)的實際應(yīng)用中需要高精度的A/D轉(zhuǎn)換器對模擬信號進行采樣、量化，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能進一步參與解算和使用，增加了電路的復(fù)雜性[6-8]。

3 數(shù)字信號調(diào)理電路

當CRM100陀螺儀的 MODE_SEL與 VCC（3.3 V）相連接時，陀螺儀工作在數(shù)字信號輸出模式。調(diào)理電路設(shè)計原理圖如圖2所示。

圖2 數(shù)字信號調(diào)理電路原理圖Fig.2 Digital signal conditioning circuit schematic diagram

當陀螺儀工作在數(shù)字模式時，通過SPI串行通信口輸出數(shù)字信號。本文設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過模擬SPI口與陀螺儀進行信息交換。陀螺儀的SPI通信時序如圖3所示。

SPI（serial peripheral interface）總線是由Motorola公司開發(fā)的全雙工同步串行外設(shè)接口，用于CPU與各種外圍設(shè)備進行全雙工、同步串行通信[9-10]。一般而言，SPI總線接口主要用于主從分布式的通信網(wǎng)絡(luò)，由一個主設(shè)備和一個或多個從設(shè)備組成，主設(shè)備通過從機選通信號啟動一個與從設(shè)備的同步通信，只需SCLK（主機輸出串行時鐘信號）、SS（從機選通信號）、MISO （主機輸入從機輸出信號）、MOSI（主機輸出從機輸入信號）4根I/O接口線即可實現(xiàn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，完成微控制器與各種外圍設(shè)備之間的通信[11-12]。

圖3 CRM100陀螺儀的SPI通信時序Fig.3 SPI communication timing of the CRM100 gyroscope

本設(shè)計中，SPI工作在主從模式下，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)充當主機，陀螺儀充當從機[13]。陀螺儀的SS（第2管腳）為從機片選接口，當置為低電平時，選通從機CRM100陀螺儀；Dclk（第3管腳）為串行時鐘信號SCLK接口，該時鐘信號由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)生，再輸入到陀螺儀中，控制二者信息交換速率；陀螺儀的 Data_In（第6管腳）作為MOSI接口，接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送的命令；Data_Out（第4管腳）作為MISO接口，將陀螺角速率信息傳輸?shù)叫畔⒉杉到y(tǒng)。

4 試驗驗證

根據(jù)CRM100陀螺儀的輸出方式的不同，設(shè)計2種對應(yīng)的信號調(diào)理電路，并組裝樣機，實時存儲陀螺的角速率信息，為事后試驗數(shù)據(jù)的分析做準備。為驗證所設(shè)計系統(tǒng)的可靠性和正確性，利用實驗室三軸位置速率搖擺溫控轉(zhuǎn)臺和相關(guān)采集電路對陀螺儀進行測試。測試過程中，將陀螺儀安裝在轉(zhuǎn)臺平面上，并使陀螺儀的敏感軸與轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)軸保持平行，則轉(zhuǎn)臺角速率即為陀螺敏感到的角速率。

4.1 模擬輸出方式

當CRM100陀螺儀以模擬量輸出時，對于模擬信號調(diào)理電路，R1處焊接0 Ω的電阻，R2不焊接，相當于SEL0接GND；R3不焊接，R4處焊接0 Ω的電阻，相當于SEL1接GND，此時，陀螺儀的動態(tài)測量范圍為±150°/s。BW_cap引腳處電容C3選用100 nF，將陀螺的帶寬設(shè)定為33 Hz。本實驗以該測量范圍和帶寬為例，驗證模擬信號調(diào)理電路的正確性和可靠性。設(shè)定轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速分別為±150°/s、±130°/s、±120°/s、±100°/s、±80°/s、±60°/s、±40°/s、±20°/s、±10°/s、±6°/s、±3°/s、0°/s，啟動轉(zhuǎn)臺，利用相應(yīng)的模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集存儲陀螺的角速率信息。

利用MATLAB處理試驗數(shù)據(jù)，得到CRM100陀螺儀模擬輸出電壓值與輸入角速率之間的關(guān)系如圖4所示。

圖中，X軸表示陀螺輸入的角速率，Y軸表示陀螺模擬輸出與角速率呈一定關(guān)系的電壓值。從圖中可以看出，陀螺輸出電壓值與輸入角速率之間呈線性關(guān)系，利用最小二乘法對數(shù)據(jù)進行分析可知，當陀螺的測量范圍為±150°/s時，對應(yīng)的標度因數(shù)為0.006615 V（（°）s-1），零點為 1.652118 V。

4.2 數(shù)字輸出方式

當CRM100陀螺儀以數(shù)字量輸出時，陀螺儀信號調(diào)理電路與數(shù)字數(shù)據(jù)采集電路板之間通過SPI串行通信接口進行通信。通過主機發(fā)送命令，設(shè)置陀螺的動態(tài)測量范圍為±150°/s，帶寬為33 Hz。將陀螺儀安裝在三軸角速率轉(zhuǎn)臺上，安裝方式和轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速設(shè)定情況與模擬輸出方式下試驗時保持一致，啟動轉(zhuǎn)臺，利用相應(yīng)的數(shù)字數(shù)據(jù)采集電路實時采集陀螺儀的輸出。對試驗數(shù)據(jù)進行分析，得到陀螺輸出角速率與輸入角速率之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 CRM100陀螺儀數(shù)字輸出標定結(jié)果Fig.5 Digital output calibration results of CRM100 gyroscope

圖中，X軸表示陀螺的輸入角速率，Y軸表示陀螺的輸出角速率。進一步可以求得陀螺在該試驗?zāi)Ｊ较聵硕纫驍?shù)為1.002829，零點為0.233622°/s。

通過上述試驗可以看出，陀螺在不同的轉(zhuǎn)速環(huán)境中，模擬輸出信號調(diào)理電路和數(shù)字輸出信號調(diào)理電路均能有效地輸出角速率信息，數(shù)據(jù)輸出穩(wěn)定、正確。

5 結(jié)語

本文設(shè)計的模擬、數(shù)字2種信號調(diào)理電路，實現(xiàn)了CRM100陀螺儀實時數(shù)據(jù)的有效、穩(wěn)定輸出。通過試驗論證，結(jié)果表明調(diào)理電路設(shè)計可靠、實用、實時性好，為后續(xù)對該型陀螺儀的測試、標校、應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，具有廣泛的應(yīng)用價值。

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