多通道MEMS陀螺仪数据采集系统设计

时间：2024-07-28

蒋鹏，王益祥

(南京理工大学，江苏南京 210094)

0 引言

随着MEMS(微机电系统)技术的发展，微惯性传感器广泛地应用在航空航天、军品以及民品等领域。对于相关的惯性测量、导航等系统的开发中，都需要对所使用的惯性传感器进行检验、器件筛选、性能测试。现有的测试方式通常是定制相应封装的单片夹具，根据厂家提供的外围电路编写上位机软件，然后逐片进行测试。如果设计一款多通道惯性传感器数据采集系统，将多个器件同时进行采集测试，这无疑会提高惯性应用系统研发的效率。目前，常用的多通道惯性传感器数据采集系统通常是建立在下位机采集终端和上位机PC的系统架构上。虽然这种设计方案的下位机硬件成本低，但是大多数的上位机软件都是采用编程调试比较复杂的语言进行编写，并且开发周期较长[1]。LabVIEW 是一种图形化的编程语言，将计算机强大的数据处理能力与仪器的硬件测控能力很好地结合在一起，是当前测控领域的热点。但是NI公司的采集卡通常价格较高[2]。因此根据上述两种方式的优缺点，设计了一种基于ARM采集终端和LabVIEW上位机测控软件、利用串口通信的多通道MEMS陀螺仪数据采集系统。

1 整体系统设计

系统是针对国内一款高性能MEMS数字陀螺设计的多路数据采集系统，用于提高惯性测量和导航系统的研发效率。通常对器件进行检测筛选需要测定两方面的性能参数，一是零偏系列参数，二是标度因数系列参数。测试零偏系列参数时，MEMS陀螺仪通过安装夹具固定在水平基准上。使MEMS陀螺仪IRA(输入基准轴)垂直于水平基准面，外部无角速度输入或者外部角速度输入为零，记录MEMS陀螺仪在测试时间内的输出[3]。测试标度因数系列参数时，将MEMS陀螺仪安装在转台上，使IRA(输入基准轴)平行于转台的旋转轴。将MEMS陀螺仪与测试系统连接好，在速率转台旋转的情况下，于正转、反转方向输入角速度范围内，取对称且分别不能少于一定数量的角速度档，测试设备记录经过的时间与MEMS陀螺仪输出。根据上述测试过程，系统整体设计如图1所示。

图1 系统整体设计框图

该款型号的MEMS陀螺仪支持SPI4线制从模式，将ARM微处理器设置为主机[4]。主机将采集到的多路MEMS陀螺信号进行的处理，再通过串口芯片将输出信号转变为RS422电平信号，利用MOXA卡转USB接口与上位机进行通信。由LabVIEW编写的上位机软件将采集的信号进行处理、图形显示以及存储，完成多路MEMS陀螺传感器数据的采集。

2 系统硬件设计

系统硬件分为两大部分，第一部分为上位机硬件，即PC工作机；第二部分为ARM的采集终端硬件，主要有数据采集与处理、RS422通信接口以及电源等主要功能模块。多通道数据采集系统硬件工作原理为：多通道MEMS陀螺仪输出信号通过信号调理电路进行处理，ARM采集终端通过SPI总线将调理后的多通道MEMS陀螺仪信号进行数据进行进制转换、移位、计算校验等操作，然后将数据打包。为了系统时钟的准确性，本次设计选择了8 M外围晶振作为系统时钟。通过LDO为ARM采集终端与MEMS陀螺仪进行供电，也保证了系统工作的稳定性。

ARM采集终端通过RS422通信将处理打包的数据发送至PC上位机，上位机软件将接收的数据进行校验，校验正确的数据进行实时波形显示，校验错误的数据进行抛弃，最终根据用户选择的路径进行数据存储。系统硬件原理如图2所示。

图2 系统硬件原理

2.1 数据采集终端模块

该模块大致由两部分组成：多路MEMS陀螺传感器外围电路，ARM微控制器电路。陀螺传感器的外围电路主要有多个单片陀螺电路组合而成，作用是将传感器输出的微弱信号放大到能够适应其他模块的输入电压要求，并将信号通过SPI通信的方式传递给ARM微控制器。

根据数据采集系统的硬件方案以及其他功能需求，系统选用Cortex-M4内核的32位处理器STM32F415RG为采集终端的控制芯片。该款ARM芯片完全能够满足本次数据采集系统对主控微控制器的设计要求。在进行MEMS陀螺传感器温度特性的相关参数测试时，内部时钟容易受到温度、震动等外界干扰等因素的影响。因此在系统中，考虑串口通信以及精准定时等问题，加入了8 MHz的外部晶振，保证了频率的稳定性和精度。系统暂定采集六通道MEMS陀螺仪输出数据，因此ARM微控制器电路如图3所示。

图3 ARM微控制器电路

2.2 RS422通信模块

系统在进行MEMS陀螺传感器标度因数相关参数测量时，传感器载体通常固定在速率转台上，在速率转台旋转的情况下进行数据采集。这就要求数据采集的通信线要具有一定的长度，但是通信线过长会导致SPI信号衰减，并且在数据速率很高的情况下，时钟和数据线之间的时序很难严格保证，所以可靠的方法就是将输出信号转换成电平信号后再进行传输[5]。系统使用RS422进行通信，选用串口芯片MAX490实现电平转换[6]。

2.3 电源模块

在进行数据采集时，为了保证下位机系统的稳定工作，避免器件载体安装在速率转台高速旋转时出现供电电压不稳定的情况，需要利用稳压芯片进行电压转换及供电。在设计中，MEMS陀螺仪和串口芯片的输入电压为5 V，ARM微控制器的输入电压为3.3 V，在考虑到稳压芯片的最大输出电流、系统功耗以及工作环境等因素，系统选用了LT1962-5以及LM1117-3.3两种稳压芯片。电源模块电路如图4所示。

图4 LDO供电

3 系统软件设计

系统软件设计主要分为两大部分：ARM采集终端软件设计、上位机LabVIEW软件设计。

3.1 ARM采集终端软件设计

ARM采集终端软件又分为SPI通信模块、数据处理模块与RS422通信模块。系统结构如图5所示。

图5 ARM采集终端软件结构

1) SPI通信模块

系统所涉及到的MEMS陀螺传感器支持SPI 4线制(CS,SCLK,MOSI,MISO)从模式，即要求ARM微控制器与MEMS陀螺传感器建立主从关系，从机的陀螺数据以及温度输出从对应的寄存器中读取，以SPI通信的方式发送给主机ARM微控制器。多路从机复用时钟(SCLK)、主出从入(MOSI)以及主入从出(MISO)3条SPI信号线，片选信号无复用。

陀螺数据发送SPI通讯流程：首先设置片选信号为低，初始化SPI通信，主机发送数据控制字(0x50,0x00,0x00,0x00,0x00)，等待读取SPI数据，然后片选信号拉高，等待缓冲区清空，从机陀螺、温度输出数据写入SPI寄存器，片选信号拉低，主机从从机寄存器中读取数据，最后对数据进行重新构建即高地位排序，然后等待校验及串口通信发送。

2) 数据处理模块

数据处理模块的作用就是将ARM采集终端从SPI总线读取的数据进行进制转换、按照定义通道数进行数据移位以及补偿处理。其中进制转换和数据移位较为简单，补偿是在完成测试后计算补偿参数后才可进行的步骤，所以不多做叙述。

3) RS422通信模块

RS422通信模块就是配置ARM采集终端与上位机测控软件的通信协议，保证通信的实时性与可靠性。在通信模块中，首先配置ARM微处理器相应的引脚资源，根据其片上I/O资源选定进行RS422数据通信的引脚，配置其工作模式、输出模式等。为了保证上位机测控软件与采集终端之间通信的可靠性及实时性，需要制定相应的RS422通信协议，除了基本通信数据格式外，还应包括数据头标识符的约定。系统RS422通信协议约定如下：基本通信数据格式约定为：波特率(230 400)，数据比特(8)，奇偶校验位(N)，停止位(1)。

3.2 LabVIEW上位机软件设计

上位机软件部分的主要功能是将ARM采集终端发送的数据进行接收，根据通讯协议中定义的数据帧头，计算每一帧数据的校验和进行数据校验，验证正确的数据进行数据结算，然后进行实时波形图显示，错误的数据进行抛弃处理。最后根据用户定义的路径存储数据。上位机软件的结构如图6所示。

图6 上位机软件结构

1) 采集程序前面板设计

主程序的前面板设计主要包括串口通信配置、数据存储控制以及数据图形显示三个部分。串口通信配置主要设置串口通道、采样时间以及数据保存路径，当串口选择错误时，系统会弹出对话框显示“无此串口或该串口被其他应用软件占用！”。数据存储控制主要设置采集数据是否保存以及保存路径等。结束按钮功能是假如在采样过程中如果出现数据漏包或者其他问题，可以在采样时间到达之前提前结束采样，然后检测调整上位机程序。在其他的实际运用中，可以根据下位机通讯修改串口通道、波特率、采样时间等，也可以根据测试需求修改数据采集的通道数。

2) 上位机软件主程序设计

上位机采集主程序包括串行通信、数据处理两大模块。

在LabVIEW功能面板的Instrument I/O>serial目录下，包含一系列串行通信所需要的程序模块。利用这些程序模块，可方便地设计出基于串行通信的测试控制系统。

数据处理模块的主要功能是将从ARM下位机采集终端读取来的MEMS陀螺仪的数据进行处理，用于实现采样数据实时显示功能。采样数据的实时显示部分功能是将数据解算后的数据矩阵进行抽取，然后按照不同通道将采样数据以波形图的形式实时显示，最后将数据按照指定路径进行存储。

其中，数据解算部分为调用的子VI。该VI中主要是将多个通道传递到上位机的数据包进行处理。处理操作包括给每帧数据即六通道MEMS陀螺仪输出添加数据帧头(5555)，用以区别每一帧数据。将数据包中的数据进行校验，满足校验会点亮指示灯。然后校验正确的数据进行数据重建，将不同的通道的输出提取出来进行数据格式强制转换，最后重建后的数据以数组的形式发送出来。

4 验证

系统是应用于某惯性导航系统研发过程中对MEMS陀螺仪的检验、筛选、性能测试等各项试验。图7是针对国内某款MEMS陀螺传感器的零位变化的实时数据采集与波形显示。在LabVIEW的上位机串行通信设置中，根据设备管理器串口配置，选择通道为COM2,波特率为230 400，采样时间600 s。

从系统运行过程中可以发现，上位机与下位机通讯正常，而且数据传输过程中没有漏包。而从采样数据的输出波形图中可以观察到1号、2号与6号MEMS陀螺传感器零位较为稳定，3号存在较为明显的毛刺信号，猜测可能是检测环境受到外界影响导致，而4号与5号噪声较大而且输出信号特性类似于正弦波，器件性能存在缺点。根据数据接收区域中可以观察到数据符合通讯参数设置(六通道陀螺仪数据：每通道包括4个字节陀螺输出，2个字节温度输出；校验和1个字节；数据帧头“5555”2个字节，每帧共39个字节)。说明系统符合设计预期效果，可以起到检验、筛选，性能测试等功能作用，设计切实可行的。

图7 实时波形显示与数据监控图