基于c8051f064單片機(jī)的imu信號采集系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于C8051F064單片機(jī)的IMU信號采集系統(tǒng)，包括三軸陀螺儀、加速度計、多通道模擬開關(guān)、信號調(diào)理電路、單片機(jī)和RS232接口電路；三軸陀螺儀、加速度計的信號輸入多通道模擬開關(guān)，由多通道模擬開關(guān)選擇任一路輸入的模擬電壓信號，輸入信號調(diào)理電路；信號調(diào)理電路對模擬電壓信號進(jìn)行隔離、幅值調(diào)整，輸入單片機(jī)的ADC模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)把轉(zhuǎn)換結(jié)果通過RS232接口上傳到上位機(jī)。本發(fā)明的IMU信號采集系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊，功耗低，利用較低的成本，獲得較高的數(shù)據(jù)采集性能，能夠適應(yīng)彈載環(huán)境的復(fù)雜情況。采用RS232通信方式，能夠?qū)崟r地為彈載計算機(jī)提供準(zhǔn)確的IMU數(shù)據(jù)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。
【專利說明】基于C8051F064單片機(jī)的IMU信號采集系統(tǒng)
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及一種IMU信號采集系統(tǒng)，特別涉及一種基于單片機(jī)C8051F064的MU信號采集系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0003]慣性測量單元(簡稱MU)是測量物體三軸角速度以及加速度的裝置。一般的，一個MU包含三個加速度計和三個陀螺，加速度計檢測物體在載體坐標(biāo)系統(tǒng)獨(dú)立三軸的加速度信號，而陀螺檢測載體相對于導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度信號，測量物體在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態(tài)。它常用于需要用姿態(tài)進(jìn)行精密位移推算的場合，如潛艇、飛機(jī)、導(dǎo)彈和航天器的慣性導(dǎo)航設(shè)備等，在航空、陸地、海洋導(dǎo)航中有著很重要的應(yīng)用價值。
[0004]IMU信號采集系統(tǒng)是一種用于采集IMU輸出角速度以及加速度的系統(tǒng)，大多工作于彈載環(huán)境中，要求具有高速度、高精度、高穩(wěn)定性、低功耗等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的電荷平衡式電壓一頻率轉(zhuǎn)換電路雖然具有抗干擾能力強(qiáng)和接口簡單等優(yōu)點(diǎn)，但其采樣精度和速度較低，不能滿足頂U(kuò)信號采集系統(tǒng)的高實(shí)時性要求?；贒SP的頂U(kuò)信號采集系統(tǒng)雖然能夠處理高速實(shí)時數(shù)據(jù)，但其本身功耗及成本較高，不易推廣，且開發(fā)難度大。
[0005]針對此問題，本發(fā)明基于常用的AD轉(zhuǎn)換理論，采用新華龍電子有限公司推出的C8051F064單片機(jī)，設(shè)計一種高速度、高精度、高穩(wěn)定性、低功耗、低成本的MU信號采集系統(tǒng)，為彈載計算機(jī)提供實(shí)時穩(wěn)定的數(shù)據(jù)信息。本系統(tǒng)采用單片機(jī)自帶的ADC采樣模塊對MU信號進(jìn)行采集，盡可能減少信號采集系統(tǒng)的組合單元數(shù)量，從而確保在彈載的強(qiáng)干擾信號中，信號采集系統(tǒng)得到穩(wěn)定輸出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的:本發(fā)明嘗試一種新的MU信號采集系統(tǒng)方案，既能保證采集系統(tǒng)的高實(shí)時性和穩(wěn)定性，又能簡化采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)的低功耗和低成本。
[0007]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:
一種基于C8051F064單片機(jī)的IMU信號采集系統(tǒng)，其特征是，包括三軸陀螺儀、加速度計、多通道模擬開關(guān)、信號調(diào)理電路、單片機(jī)和RS232接口電路；
三軸陀螺儀、三個加速度計的信號輸入多通道模擬開關(guān)，由多通道模擬開關(guān)選擇任一路輸入的模擬電壓信號，輸入信號調(diào)理電路;信號調(diào)理電路對模擬電壓信號進(jìn)行隔離、幅值調(diào)整，輸入單片機(jī)的ADC模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)把轉(zhuǎn)換結(jié)果通過RS232接口上傳到上位機(jī)。
[0008]所述單片機(jī)為C8051F064。
[0009]三軸陀螺儀采用AD公司的ADXRS系列陀螺儀。
[0010]加速度計采用ADXL278。
[0011]模擬開關(guān)電路選用ADG608;單片機(jī)通過控制模擬開關(guān)電路ADG608的腳來選通INl?IN8通道。
[0012]信號調(diào)理電路包括前級跟隨電路和后級分壓電路；
前級跟隨電路包括第一運(yùn)算放大器，模擬電壓信號VIN輸入至第一運(yùn)算放大器正相輸入端，第一運(yùn)算放大器輸出端連接至后級分壓電路，同時反饋至第一運(yùn)算放大器負(fù)相輸入端；
后級分壓電路包括第一分壓電阻、第二分壓電阻和第二運(yùn)算放大器，第一分壓電阻一端連接至前級跟隨電路，另一端經(jīng)第二分壓電阻接地，同時連接至第二運(yùn)算放大器正相輸入端;第二運(yùn)算放大器輸出端輸出電壓VOUT，同時反饋第二運(yùn)算放大器其負(fù)相輸入端。
[0013]本發(fā)明創(chuàng)造的優(yōu)點(diǎn)以及達(dá)到的效果:
基于C8051F064單片機(jī)的頂U(kuò)信號采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，功耗低，利用較低的成本，獲得較高的數(shù)據(jù)采集性能，能夠適應(yīng)彈載環(huán)境的復(fù)雜情況。采用RS232通信方式，最高采樣頻率lMsps，能夠?qū)崟r地為彈載計算機(jī)提供準(zhǔn)確的頂U(kuò)數(shù)據(jù)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。
【附圖說明】
[0014]圖1頂U(kuò)信號采集系統(tǒng)原理圖；
圖2陀螺外圍電路圖；
圖3加速度計及模擬開關(guān)電路圖；
圖4信號調(diào)理電路；
圖5單片機(jī)及外圍電路；
圖6單片機(jī)工作流程圖；
圖7數(shù)據(jù)傳輸流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0016]本頂U(kuò)信號采集系統(tǒng)由三軸陀螺儀、加速度計、多通道模擬開關(guān)、信號調(diào)理電路、單片機(jī)、RS232接口電路組成，如圖1所示。
[0017]電路工作過程如下:三軸陀螺儀、加速度計信號輸入多通道模擬開關(guān)，由多通道模擬開關(guān)選擇任一模擬電壓信號，輸入信號調(diào)理電路。信號調(diào)理電路對模擬電壓信號進(jìn)行隔離、幅值調(diào)整，輸入單片機(jī)的ADC模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)把轉(zhuǎn)換結(jié)果通過RS232接口上傳到上位機(jī)。下面具體介紹各部分電路的設(shè)計過程。
[0018]1.陀螺及外圍電路設(shè)計
陀螺芯片采用AD公司推出的ADXRS系列陀螺儀，它集成微電子機(jī)械系統(tǒng)專利工藝和BIMOS工藝，內(nèi)部同時集成有角速率傳感器和信號處理電路。與任何同類功能的陀螺儀相比，ADXRS系列陀螺儀具有尺寸小、功耗低、抗沖擊和振動性好的優(yōu)點(diǎn)，其典型代表芯片有ADXRSSOCKADXRSSOO只有7mmX7_X3mm大小，采用BGA-32封裝技術(shù)，這種封裝至少要比任何其他具有同類性能的陀螺儀小100倍，而且功耗為30mW，重量僅0.5g，能夠準(zhǔn)確的測量角速度。ADXRS300量程為土 300° /s，其外圍電路如圖2所示。
[0019]圖2中，VCC是+5V電源信號。RATE-OUT是陀螺輸出的角速度信號，0°/s時輸出電壓為2.5V，靈敏度為5mV/° /s。TEMP-OUT是陀螺輸出的溫度信號，常溫時輸出電壓為2.5V，比例系數(shù)為8.4mV/°C。
[0020]2.加速度計及模擬開關(guān)電路設(shè)計
加速度計及模擬開關(guān)電路設(shè)計如圖3所示。加速度計為雙軸、高g值、iMEMS工藝的加速度計ADXL278，+5V供電d軸、Y軸量程均為50g，無加速度時輸出電壓為2.5V，靈敏度為38mV/g。模擬開關(guān)電路選用ADG608，導(dǎo)通電阻彡30 Ω，開關(guān)時間彡75ns，能實(shí)現(xiàn)可靠導(dǎo)通。單片機(jī)通過控制模擬開關(guān)電路的AO?A2、EN管腳來選通INl?IN8通道。
[0021]3.信號調(diào)理電路設(shè)計
信號調(diào)理電路如圖4所不。模擬開關(guān)電路輸出的一路信號ο u t為模擬電壓信號，模擬電壓信號VIN經(jīng)過前級跟隨電路，再經(jīng)過后級分壓電路，輸出電壓V0UT。輸出電壓VOUT = VIN*10/(10+10)=0.5VIN?？梢?，信號調(diào)理電路的作用是在模擬電壓信號VIN進(jìn)入單片機(jī)ADC模塊前對模擬電壓信號VIN進(jìn)行衰減，減小到0.5倍大小，使之符合AD轉(zhuǎn)換的輸入電壓范圍。
[0022]前級跟隨電路包括運(yùn)算放大器U3A，模擬電壓信號VIN輸入至運(yùn)算放大器U3A正相輸入端，運(yùn)算放大器U3A輸出端連接至分壓電阻R16—端，同時反饋至其負(fù)相輸入端。后級分壓電路包括分壓電阻R16、R15和運(yùn)算放大器U3B，分壓電阻R16—端連接至前級跟隨電路，另一端經(jīng)分壓電阻R15接地GND，同時連接至運(yùn)算放大器U3B正相輸入端;運(yùn)算放大器U3B輸出端輸出電壓VOUT，同時反饋至其負(fù)相輸入端。
[0023]4.單片機(jī)及外圍電路設(shè)計
單片機(jī)C8051F064是整個頂U(kuò)信號采集系統(tǒng)的核心部分，它構(gòu)建了從傳感器、信號調(diào)理電路到上位機(jī)之間的橋梁。與傳統(tǒng)的C51單片機(jī)相比，C8051F064單片機(jī)70%的指令執(zhí)行時間為I或2個系統(tǒng)時鐘周期，只有4條指令的執(zhí)行時間大于4個系統(tǒng)時鐘周期。它最高工作頻率25MHz，片內(nèi)集成兩個16位、IMsps的AD轉(zhuǎn)換器，并帶有DMA控制器。單片機(jī)及外圍電路設(shè)計見圖5。
[0024]單片機(jī)采用+3.3V供電，25MHz外部工作時鐘，工作電流僅16mA。數(shù)據(jù)采集端口為AINO和AINl，ΑΙΝ0采集陀螺的角速度信號，AINl采集加速度計的加速度信號，信號幅度范圍是O?2.5V。當(dāng)ADC工作在IMsps的最大采樣率時可提供16位分辨率，因此單片機(jī)每次AD轉(zhuǎn)換結(jié)果為16位數(shù)字信號(即兩個字節(jié))，通過Uart串口、RS232接口上傳到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時采樣。
[0025]5.單片機(jī)軟件設(shè)計
單片機(jī)上電后，首先啟動外部晶振，然后對1端口、定時器、Uart0、ADC0、ADCl等外設(shè)進(jìn)行初始化設(shè)置，接著控制模擬開關(guān)選擇一路待測模擬電壓信號，延時一定時間去抖后，打開ADC模塊進(jìn)行采樣、AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果通過UartO發(fā)送出去。發(fā)送結(jié)束后切換其他通道，對其他角速度或加速度信號進(jìn)行采集，周而復(fù)始。單片機(jī)工作流程圖如圖6所示。
[0026]單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換時，通過向ADnBUSY寫‘ I’啟動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通過查詢ADnINT位以確定轉(zhuǎn)換何時結(jié)束，查詢步驟如下:
(1)寫‘0’到ADnINT;
(2)向ADnBUSY寫‘I，; (3)查詢并等待ADnINT變‘I，;
(4)保存ADCn數(shù)據(jù)。
[0027]C8051F064單片機(jī)串行接口與計算機(jī)之間能實(shí)現(xiàn)多種波特率的傳輸。這不僅需要配置好數(shù)字交叉開關(guān)，也要配置為串行接口產(chǎn)生波特率的定時器，配置過程要按照數(shù)字交叉開關(guān)、定時器、串行接口的順序。發(fā)送數(shù)據(jù)時，先發(fā)送AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的高位字節(jié)，再發(fā)送AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的低位字節(jié)。IMU信號采集系統(tǒng)使用的波特率為115200bps，數(shù)據(jù)傳輸流程圖如圖7所不O
[0028]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于C8051F064單片機(jī)的MU信號采集系統(tǒng)，其特征是，包括三軸陀螺儀、三個加速度計、多通道模擬開關(guān)、信號調(diào)理電路、單片機(jī)和RS232接口電路； 三軸陀螺儀、三個加速度計的信號輸入多通道模擬開關(guān)，由多通道模擬開關(guān)選擇任一路輸入的模擬電壓信號，輸入信號調(diào)理電路;信號調(diào)理電路對模擬電壓信號進(jìn)行隔離、幅值調(diào)整，輸入單片機(jī)的ADC模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)把轉(zhuǎn)換結(jié)果通過RS232接口上傳到上位機(jī)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于C8051F064單片機(jī)的頂U(kuò)信號采集系統(tǒng)，其特征是，所述單片機(jī)為 C8051F064。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于C8051F064單片機(jī)的頂U(kuò)信號采集系統(tǒng)，其特征是，三軸陀螺儀采用AD公司的ADXRS系列陀螺儀。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于C8051F064單片機(jī)的頂U(kuò)信號采集系統(tǒng)，其特征是，加速度計采用ADXL278。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于C8051F064單片機(jī)的頂U(kuò)信號采集系統(tǒng)，其特征是，模擬開關(guān)電路選用ADG608;單片機(jī)通過控制模擬開關(guān)電路ADG608的AO?A2、EN管腳來選通INl?IN8通道。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于C8051F064單片機(jī)的頂U(kuò)信號采集系統(tǒng)，其特征是， 信號調(diào)理電路包括前級跟隨電路和后級分壓電路； 前級跟隨電路包括第一運(yùn)算放大器，模擬電壓信號VIN輸入至第一運(yùn)算放大器正相輸入端，第一運(yùn)算放大器輸出端連接至后級分壓電路，同時反饋至第一運(yùn)算放大器負(fù)相輸入端； 后級分壓電路包括第一分壓電阻、第二分壓電阻和第二運(yùn)算放大器，第一分壓電阻一端連接至前級跟隨電路，另一端經(jīng)第二分壓電阻接地，同時連接至第二運(yùn)算放大器正相輸入端;第二運(yùn)算放大器輸出端輸出電壓VOUT，同時反饋第二運(yùn)算放大器其負(fù)相輸入端。
【文檔編號】G01C21/20GK106052689SQ201610718836
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月24日
【發(fā)明人】李貴嬌, 李有池, 李金寶, 金肖依
【申請人】北方電子研究院安徽有限公司