基于PSoC的陀螺儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

韓 穎

〈系統(tǒng)與設(shè)計〉

基于PSoC的陀螺儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

韓 穎

（中國空空導(dǎo)彈研究院 計量中心，河南 洛陽 471000）

本文介紹了在紅外成像導(dǎo)引系統(tǒng)中應(yīng)用PSoC開發(fā)板對MEMS（Micro Electro Mechanical System）陀螺儀數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的設(shè)計與實現(xiàn)。以PSoC 5為控制核心，提出了一種系統(tǒng)質(zhì)量高、成本低、功耗低、同時還能滿足設(shè)計要求的設(shè)計方案。詳細(xì)介紹了PSoC 5硬件與軟件的實現(xiàn)過程，并設(shè)計靜態(tài)與動態(tài)實驗進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，證明該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)擁有較高的測量精度。

PSoC；MEMS陀螺儀；數(shù)據(jù)采集

0 引言

在紅外成像系統(tǒng)中為了消除導(dǎo)彈快速飛行過程中受到的振動等造成的視頻信號不穩(wěn)定，必須要對視頻信號進(jìn)行穩(wěn)像處理[1]，通常采用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA或在系統(tǒng)可編程模擬電路ispPAC完成視頻信號的采集。在本設(shè)計中，將新興的可編程片上系統(tǒng)PSoC運用在穩(wěn)像系統(tǒng)中，對ADXRS622型單軸MEMS陀螺儀的軸角速度輸出信號進(jìn)行采集，通過基于串口通訊的上位機測控軟件對采集到的陀螺儀數(shù)據(jù)進(jìn)行接受、保存，并用Matlab程序進(jìn)行Allan方差分析，確定該方案切實可行。這一設(shè)計，集微控制器、可編程數(shù)字陣列和可編程模擬陣列為一體，特別適合于要求精密且體積小巧的應(yīng)用[2-3]，這就為未來減小穩(wěn)像系統(tǒng)體積奠定了基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

基于PSoC（Programmable System on Chip）的陀螺儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1。通過設(shè)計數(shù)據(jù)采集模塊將穩(wěn)像系統(tǒng)中陀螺儀輸出的模擬信號采集出來，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號發(fā)送給PSoC開發(fā)板后，通過串口與PC機連接，在PC機上完成對采集到的陀螺儀數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。PSoC核心部分包含PSoC的硬件設(shè)計與軟件設(shè)計，主要負(fù)責(zé)陀螺儀數(shù)據(jù)的采集、存儲以及通信。

2 PSoC開發(fā)工具

CY8CKIT-001 PSoC?開發(fā)工具包中包含PSoC5、PSoC3、PSoC1三個系列。

在本設(shè)計中選用市場發(fā)展?jié)摿Ω蟮腫4]PSoC5模塊板實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的時序控制和通訊控制[5-6]。PSoC 5性能參數(shù)如表1所示。

圖1 PSoC陀螺儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

開發(fā)包中包含的PSoC Creator集成開發(fā)環(huán)境支持C語言，且PSoC C語言基本上是標(biāo)準(zhǔn)的ANSI C，在PSoC Designer中編譯器也具有很高的編譯效率。因此，在本次編譯過程中采用C語言進(jìn)行PSoC 5的嵌入式程序的開發(fā)。

3 PSoC平臺硬件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)需要，在PSoC Creator軟件中使用原理圖設(shè)計工具完成了PSoC 5的硬件設(shè)計，主要包括定時器、串行通訊控制器和A/D并行數(shù)字接口等3種功能模塊。

3.1 工程創(chuàng)建及處理器選型

設(shè)計工程名稱為：HY_UART；器件架構(gòu)為：Empty PSoC5LP design；具體器件型號為：CY8C5868AXI- LP035。

3.2 系統(tǒng)時鐘設(shè)計

根據(jù)開發(fā)工具包的時鐘資源和應(yīng)用系統(tǒng)的要求將時鐘設(shè)計為33MHz。

3.3 定時器模塊

定時器模塊用于提供1ms定時周期，控制A/D轉(zhuǎn)換器按照1kHz的采樣頻率進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)=換。因此，設(shè)計輸入時鐘頻率100kHz，定時周期1ms，8bit減法計數(shù)器，連續(xù)運行，以TC信號為中斷源。

3.4 UART模塊

UART模塊用于串行通訊控制。設(shè)計波特率115200，1位起始位，1位停止位，1位偶校驗，8位數(shù)據(jù)位，只使用接收中斷。

3.5 并行數(shù)字接口

并行數(shù)字接口用于16位六通道同步采樣芯片AD7656的并行輸出數(shù)據(jù)接口及時序控制，在PSoC Creator中，并沒有提供標(biāo)準(zhǔn)的并行數(shù)字接口模塊。經(jīng)過研究設(shè)計使用EMIF接口作為并行接口的主體，并配置1個控制寄存器和1個狀態(tài)寄存器作為控制信號和狀態(tài)信號用來實現(xiàn)并行數(shù)字接口。

EMIF接口電路硬件設(shè)計參數(shù)為：24位地址，16位數(shù)據(jù)，異步時序；控制寄存器電路硬件設(shè)計參數(shù)為：1位數(shù)據(jù)位，直接控制；狀態(tài)寄存器電路硬件設(shè)計參數(shù)為：1位數(shù)據(jù)位，時鐘頻率33MHz。

3.6 器件管腳分配設(shè)計

最后，根據(jù)CY8CKIT-001 PSoC?開發(fā)工具包的管腳資源和系統(tǒng)需要完成了系統(tǒng)的管腳配置，具體如圖2所示。

4 PSoC系統(tǒng)軟件設(shè)計

PSoC硬件設(shè)計完成后，需要根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，手動添加與應(yīng)用目的有關(guān)的程序代碼。

4.1 程序主框架

完成PSoC的硬件設(shè)計后，運行“Build”菜單，會自動生成最終的程序主框架，其中的“Generated_Source”文件夾是開發(fā)軟件根據(jù)硬件設(shè)計自動生成的代碼文件夾，包含了相關(guān)硬件的所有可用的API源代碼。

后續(xù)的代碼開發(fā)工作主要包含2個部門的內(nèi)容：完善main()函數(shù)；重載需要變更的API函數(shù)。

4.2 Main() 函數(shù)

在Main.c文件中，首先進(jìn)行常量和變量定義，然后進(jìn)行函數(shù)定義和重載，接著進(jìn)行自定義函數(shù)的代碼編制，最后進(jìn)行main()函數(shù)代碼的編制。

表1 PSoC 5性能參數(shù)

圖2 器件管腳分配

4.3 AD7656_read()函數(shù)

AD7656_read()函數(shù)用于控制AD7656的并行數(shù)據(jù)接口的讀取時序，使用全局變量AD_data進(jìn)行參數(shù)傳遞，因此沒有設(shè)計返回值。

4.4 RS422_TX()函數(shù)

RS422_TX()函數(shù)用于UART發(fā)送控制，其通訊協(xié)議是根據(jù)上位機串口數(shù)據(jù)接收軟件的協(xié)議指定的。

4.5 編譯、鏈接結(jié)果

在編譯完成后，可通過串口程序與PC機相連，進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理等。

5 上位機串口數(shù)據(jù)接受程序

完成串口數(shù)據(jù)接收，并保存采集到的陀螺儀數(shù)據(jù)，以“raw”格式進(jìn)行保存，便于Matlab程序調(diào)用，用于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理算法研究和試驗驗證。

5.1 靜態(tài)實驗

在溫箱中模擬25℃的室溫條件，以1kHz頻率對ADXRS622型MEMS陀螺進(jìn)行靜態(tài)數(shù)據(jù)采集，敏感軸指向Z軸方向，陀螺標(biāo)度因數(shù)為7.0mV/°/s，并假設(shè)其不變。由于受上位機程序通訊協(xié)議的限制，其接收并保存的頻率為500Hz，因此實際的采樣頻率為500Hz，每2ms保存一個數(shù)據(jù)。

采集1組數(shù)據(jù)，采樣時間1min。用Matlab編寫Allan方差計算函數(shù)，畫出原始數(shù)據(jù)及Allan方差如圖3，并列出Allan方差系數(shù)計算結(jié)果如表2。

根據(jù)Allan方差計算結(jié)果可知，對于MEMS陀螺儀，其零偏不穩(wěn)定性、速率隨機游走和速率斜坡是主要的噪聲源。陀螺儀量化噪聲和角速度隨機游走相對較小，說明數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)精度較高，驅(qū)動性能較穩(wěn)定。零偏不穩(wěn)定性較高則是由數(shù)據(jù)中的低頻零偏波動所引起的，主要為電子器件溫漂、電路噪聲以及環(huán)境噪聲等。速率隨機游走來源不確定，當(dāng)前的研究認(rèn)為其可能是具有長相關(guān)時間的指數(shù)噪聲的極限情況，也可能源于晶體振蕩器的老化效應(yīng)。速率斜坡本質(zhì)上是一種確定性誤差，可能與穩(wěn)壓源，外界環(huán)境溫度的變化以及陀螺本身的精度有關(guān)。

表2 Allan方差系數(shù)計算結(jié)果

5.2 動態(tài)達(dá)位實驗

受實驗裝置影響，僅在＋40°～－40°的角度范圍內(nèi)對陀螺儀進(jìn)行動態(tài)達(dá)位試驗，利用PSoC開發(fā)板和上位機程序采集角速度為10°/s，20°/s，30°/s，40°/s時的數(shù)據(jù)，并記錄如表3所示。

表3 各角速度下平穩(wěn)時的均值

Table 3 Mean when smooth at each angle speed

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知，轉(zhuǎn)臺角速度升高，陀螺儀達(dá)到穩(wěn)定時的角速度均值會逐漸偏離理論值。但整體來說，陀螺儀輸出的角速度較為貼近真實值，精度較高。

6 總結(jié)

本文設(shè)計的PSoC的陀螺儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方法簡單，易于實現(xiàn)。運用PSoC5內(nèi)部的定時器、串行通訊控制器和A/D并行數(shù)字接口等功能模塊完成電路設(shè)計，節(jié)省設(shè)計時間、減少板卡空間、降低功耗，同時還能提高系統(tǒng)質(zhì)量、降低系統(tǒng)成本，特別適合于要求精密且體積小巧的應(yīng)用，為減小穩(wěn)像系統(tǒng)體積奠定了基礎(chǔ)。本文選用的ADXRS622型MEMS陀螺儀屬于商業(yè)級陀螺儀，并不是目前性能最好的MEMS陀螺儀。預(yù)計未來突破元器件與技術(shù)封鎖后，可以將PSoC與更高精度的MEMS陀螺儀相結(jié)合，設(shè)計出更加符合精致制導(dǎo)武器發(fā)展需求的穩(wěn)像系統(tǒng)。

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Design and Implementation of a Data Acquisition System for Gyroscopes Based on PSoC

HAN Ying

(China Airborne Missile Academy Metrology and Testing Center,Luoyang 471000,China)

This paper introduces a data acquisition system for a MEMS gyroscope using a PSoC development board, for use in infrared imaging guidance systems. Using a PSoC 5 as the control core, we proposed a design scheme with high quality, low cost, low power consumption, which satisfied the design requirements. We performed a detailed investigation regarding the realization process of the hardware and software of the PSoC 5. Static and dynamic experiments were designed for data analysis. It is shown that the data acquisition system has high measurement accuracy.

PSoC, MEMS gyroscope, data acquisition

TP274

A

1001-8891(2020)09-0905-04

2019-08-18；

2020-07-05.

韓穎（1988-），女，浙江溫州人，漢族，碩士研究生，主要從事光學(xué)計量專業(yè)。E-mail: hyloveconan@163.com。