捷聯慣導系統中加速度計的信號采集

周 璐 劉晴晴 譚新洪

1.宇航智能控制技術國家級重點實驗室，北京 1008542.北京航天自動控制研究所，北京 100854

捷聯慣導系統中加速度計的信號采集

周 璐1，2劉晴晴1，2譚新洪1，2

1.宇航智能控制技術國家級重點實驗室，北京 100854
2.北京航天自動控制研究所，北京 100854

針對捷聯慣導系統中加速度計具有動態范圍寬、分辨率高、實時性強等特點，設計了一種V/F與A/D轉換相結合的數據采集方法，并對該方法的設計原理、電路實現和解算過程做了詳細的介紹。運行情況證明:此方法可以顯著提高加速度信號采集的精度和量程，具有一定的實用價值。

加速度計;數據采集;V/F轉換;捷聯慣導

捷聯慣組是指把加速度計和速率陀螺這2種慣性器件直接安裝在運載體上，利用它們分別測出運載體相對慣性空間的視加速度和角速度在體軸坐標系坐標軸方向上的投影，通過本體上的計算機解算運載體姿態運動的微分方程，求出從體軸坐標系到導航坐標系的轉換矩陣，利用該矩陣把加速度計在體軸系中的測量值投影到導航坐標系，然后根據導航方程進行導航計算，求出運載體的速度、位移等參數［1］。加速度計作為捷聯慣導系統的核心器件，其精度的高低和性能的優劣直接決定了捷聯慣導系統的性能，要求能夠達到±10-5g～±35g的測量范圍。為了實時獲得高分辨率的加速度信號，對系統中采集加速度計信號的轉換電路的精度、測量范圍和實時性都提出了較高要求。

本文介紹一種新的加速度計輸出信號的采集和處理方法，并設計了相應的處理電路。與傳統的單純采用一種轉換方式相比，該方法將V/F和A/D兩種轉換方式相結合，提高了加速度計信號處理電路的速度和精度，從而為提高捷聯慣組的精度創造條件。

1 2種轉換方法的優缺點分析

高精度石英撓性加速度計的輸出多為模擬電流信號，通常用高精度的電阻，采用分流式或反饋式［2］將加速度計輸出的模擬電流信號轉換成模擬電壓信號后再數字化處理。加速度計信號處理電路有2種轉換方法:經過壓頻轉換器(VFC)將電壓信號轉化成脈沖信號，通過計數器記錄單位時間內的脈沖個數從而得到數字量;或者經過放大電路后用A/D轉換器(ADC)直接將模擬電壓變為DSP可處理的數字信號［3］。

出于高線性度的要求，電荷平衡式VFC結構成為設計首選［4］。這種數據采集方式的優點是:采用積分型電荷平衡式變換原理，可對輸入信號進行連續測量，不存在丟失信息的問題;另外，其變換過程就是對電壓的不斷積分，可對噪聲或變化很快的輸入信號進行平滑，具有良好的抗干擾性能，且不占用計算機資源。但是，采用V/F轉換器，隨著時鐘頻率的增加線性誤差也相應的增加;而減小時鐘頻率后，如果輸入的電流值太小，電荷需要累積很長時間才會產生一個計數脈沖，這段時間是采樣盲區，將沒有任何信號輸出。因此，單純的V/F轉換，轉換速度慢，信號分辨率低，在采樣點精度不高［5］。

對于A/D轉換器，其標度系數的穩定性取決于所用的參考電壓的穩定性，其零點漂移取決于A/D轉換芯片本身的漂移穩定性，通常受A/D轉換芯片的工作電壓、時鐘頻率、溫度的影響。比起V/F轉換，A/D轉換的優點在于:具有精度高、轉換速度快、多路信號輸入時電路結構簡單、不需要穩定時間等優點。但A/D采樣的缺點在于，采樣信號沒有積分特性，所以抑制噪聲能力較弱，動態范圍有時不能滿足系統要求。

2 V/F轉換的原理和過程

目前采用V/F轉換技術的加速度計信號處理電路通常用集成VFC芯片來完成。參考ADI公司生產的 VFC芯片 AD652［6］，分析 V/F轉換的原理和過程。

圖1 2種轉換方式相結合電路連接圖

如圖1和2所示，積分器輸出的是一個鋸齒波，當鎖存器的Q端輸出為低電平時，恒流源的轉換開關切換到L端，積分器進入積分周期，積分器輸出電壓線性下降。當積分器輸出電壓降至比較器的門限電壓時，電壓比較器的輸出翻轉為高電平，與門AND輸出也變高。在外部時鐘CLOCK的下降沿D觸發器輸出反轉為高電平，再經過半個時鐘周期，到CLOCK的上升沿鎖存器的Q端輸出變高。直到這時，參考電流轉換開關切換到H端，積分器進入復位周期，積分器輸出電壓線性上升。此時，與門AND輸出變低，經過半個時鐘周期，CLOCK的下降沿D觸發器輸出翻轉為低電平，再經過半個時鐘周期，到CLOCK的上升沿鎖存器的Q端輸出變低，恒流源轉換開關切換到L端，復位周期結束，積分器再次進入積分周期。在這個工作過程中，鎖存器的輸出同時觸發單穩電路，使頻率輸出端輸出一個負脈沖。用一個計數器來跟蹤輸出的脈沖個數，那么計數值就與單位時間內的脈沖個數成正比。

如圖2所示，復位周期tos的大小由外接時鐘頻率決定，可以寫成:

設積分電容大小為Ct，通過積分電容的電流為It，恒流源大小為IR，積分器輸出的初始電壓為Uo1，當復位周期結束時，積分器的輸出Ut的幅值Um1為:

設積分時間為tI，在積分周期內Ut的初值為Um1，設積分周期結束時，Ut的終值為Uo2，因此

當電容充放電達到穩定時，積分器輸出的鋸齒波相對于CLOCK的相位也達到穩定，取其平均值，則Uo1≈Uo2，由式(2)和(3)可以求得積分周期為:

其中，fout為VFC的輸出頻率;Vin為VFC的模擬輸入電壓;IR為恒定電流源的電流值，Rin為VFC的輸入電阻，對于集成VFC來說，通常是由芯片內部設定的［7］。從式(5)可以看出，輸出頻率fout正比于輸入電壓Vin，從而實現V/F轉換。

3 V/F與A/D轉換相結合的方案設計

為了解決VFC分辨率低及小信號的輸入盲區問題，結合上述2種采樣方式的優缺點，考慮使用V/F與A/D采樣相結合的雙采樣方式，其原理如圖3所示。其中V/F轉換模塊由積分器、比較器、D觸發器、邏輯開關、恒流源、單穩電路組成;A/D轉換模塊由采樣保持器、A/D轉換器，緩沖器組成。V/F轉換模塊輸出的脈沖信號和A/D轉換模塊輸出的數字量均交與FPGA進行數據處理。采用FPGA實現了高精度A/D轉換器的初始化和數據采集，為系統信息的快速處理奠定了基礎［8］。電路連接如圖1所示。

圖2 工作模式時序圖

按前面所述V/F轉換原理，利用積分式電荷平衡技術將電壓信號轉換成脈沖信號，用計數器記錄單位時間內輸出的脈沖數，其值為FPGA要處理的脈沖值的整數部分。匹配合適的電阻值，用前置放大電路將V/F轉換模塊里積分器的輸出電壓經運算放大器，輸出所需要的電壓范圍，經過采樣保持，作為A/D轉換器的輸入值。利用高速A/D轉換芯片，將積分器的輸出模擬電壓量轉換成對應的數字量，經緩沖器輸出給FPGA進行脈沖值小數部分的計算。將解算得到的小數部分和計數器所記錄的脈沖整數一起作為系統的采樣脈沖數，進行系統解算，從而達到提高采樣分辨率和采樣精度的目的［9］。

A/D轉換過程就是采集V/F轉換中積分器輸出的模擬電壓量，然后經過放大，轉換成數字量輸出給FPGA。在加速度計輸出電流很小的情況下，積分電容充電時間很長，此時無脈沖輸出，采用A/D轉換來計算積分期間實際相當的脈沖輸出值。加速度計有大信號輸出時，積分時間短，輸出脈沖之間間隔的時間短，即使不進行A/D轉換，也能達到較高的精度。這樣，信號轉換的分辨率可以達到A/D轉換芯片的分辨率。為了獲取較高的線性度，將V/F轉換的時鐘頻率降低。在一個計數周期內，V/F轉換給出脈沖的整數部分，同時A/D轉換采集積分器的輸出值，輸出給PFGA解算出這一時刻對應的脈沖值的小數部分。增加脈沖的小數部分相當于提高了轉換的分辨率。

如圖2所示，在一個計數周期內對V/F轉換的整數個脈沖值進行采集，在2個脈沖之間的時間內對積分器的輸出進行A/D采樣，用FPGA實時計算出在這2個脈沖之間的某一時刻積分器輸出的電壓對應于最大值與最小值的位置，即輸出脈沖值的小數部分。FPGA最后將一個計數周期內記錄的脈沖值的整數部分和計算得到的脈沖值的小數部分相加，計算得到相應的數字量輸出給DSP進行系統解算。

4 V/F與A/D轉換相結合的解算方式

如圖2所示，積分器的輸出為鋸齒波，積分器充電時，輸出電壓減小。當輸出電壓下降至閾值電壓Uc時，再過一個時鐘的上升沿，積分器進入放電階段，此時輸出一個脈沖信號。隨著輸出電壓增大，經過時間tos后，切換開關至充電階段，輸出電壓開始下降，此時A/D轉換器開始采樣，采得的輸入電壓為最大值Um。當輸出電壓下降至閾值電壓Uc后，再經過一個時鐘上升沿，再次切換開關至放電階段，同時輸出一個脈沖信號。在輸出2個脈沖之間，積分器完成一次充放電，充電期間就是A/D轉換器的采樣時間。

圖3 轉換過程原理框圖

A/D轉換器輸出并行數據給FPGA的寄存器，FPGA判斷鋸齒波的最大值和最小值。若ta時刻FPGA的輸入值為Ua，tb時刻為Ub，tc時刻為Uc，而Ua〈Ub且Ub〉Uc，則Ub被認為是鋸齒波這個充放電周期內的最大值Um。若Ua〉Ub且Ub〉Uc，則Ub被認為是鋸齒波這個周期內的最小值Uo。當FPGA判斷輸入為Uo時，用寄存器D1記錄Uo的值。當FPGA判斷輸入為Um時，用寄存器D2記錄Um的值，此時FPGA開始計數。

假設計數周期為T，期間計數器記錄的脈沖數為N，FPGA通過加法和除法運算，在t1時刻解算得到加速度計輸出的模擬電流信號對應的數字量為:

這樣，通過以上介紹的方法和電路完成了高精度加速度計信號的轉換、采集和處理過程。

5 結束語

本文設計了一種新的捷聯慣組的加速度計信號采集和處理的方法，與傳統的單純采用V/F轉換或者A/D轉換相比，該方法將2種轉換方式相結合，既具有V/F轉換輸入范圍寬，抗干擾性能好，可靠性高的優點，又克服了單一采用V/F轉換速度慢、信號分辨率低、在采樣點精度不高的缺點。針對捷聯系統中加速度計信號具有動態測量范圍寬、精度高、實時性強的特點提出了一種有效的解決方案。運行情況證明:性能良好，具有實時性強，轉換精度高，可靠性好等優點，可廣泛應用于各種加速度計、陀螺等慣性器件及其他傳感器的信號采集中，也可應用于其他要求寬動態范圍高精度的傳感器接口系統中。這種多采集方式融合的設計思想對其它信號處理電路的設計也具有一定的參考價值。

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Data Collection of Accelerometer in Strapdown Inertial Navigation System

ZHOU Lu1，2LIU Qingqing1，2TAN Xinhong1，2
1.National Key Laboratory of Science and Technology on Aerospace Intelligent Control，Beijing 100854，China
2.Beijing Aerospace Automatic Control Institute，Beijing 100854，China

A data collection measurement combiningV/Fconventor withA/Dconventor is analyzed，which is specialized for wide scale，high resolution and fair real-time accelerometer in strapdown inertial navigation system．And the principle of the design，the circuit frame and calculation process are presented in detail．The experimentation shows that the precision and the scale can be improved and a high practical value can be achieved．

Accelerometer;Data collection;V/Fconvert;Inertial navigation system

TM501.4

A

1006-3242(2014)02-0018-05

2012-11-14

周 璐(1983-)，女，湖北荊州人，碩士，工程師，主要研究方向為先進感知與測量技術應用;劉晴晴(1983-)，女，山東臨沂人，碩士，工程師，主要研究方向為先進感知與測量技術應用;譚新洪(1973-)，男，長沙人，碩士，高級工程師，主要研究方向為先進感知與測量技術應用。