基于PSoC的陀螺儀數據采集系統設計與實現

韓 穎

〈系統與設計〉

基于PSoC的陀螺儀數據采集系統設計與實現

韓 穎

（中國空空導彈研究院 計量中心，河南 洛陽 471000）

本文介紹了在紅外成像導引系統中應用PSoC開發板對MEMS（Micro Electro Mechanical System）陀螺儀數據進行采集的設計與實現。以PSoC 5為控制核心，提出了一種系統質量高、成本低、功耗低、同時還能滿足設計要求的設計方案。詳細介紹了PSoC 5硬件與軟件的實現過程，并設計靜態與動態實驗進行數據分析，證明該數據采集系統擁有較高的測量精度。

PSoC；MEMS陀螺儀；數據采集

0 引言

在紅外成像系統中為了消除導彈快速飛行過程中受到的振動等造成的視頻信號不穩定，必須要對視頻信號進行穩像處理[1]，通常采用現場可編程門陣列FPGA或在系統可編程模擬電路ispPAC完成視頻信號的采集。在本設計中，將新興的可編程片上系統PSoC運用在穩像系統中，對ADXRS622型單軸MEMS陀螺儀的軸角速度輸出信號進行采集，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據進行接受、保存，并用Matlab程序進行Allan方差分析，確定該方案切實可行。這一設計，集微控制器、可編程數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用[2-3]，這就為未來減小穩像系統體積奠定了基礎。

1 數據采集系統設計

基于PSoC（Programmable System on Chip）的陀螺儀數據采集系統結構設計如圖1。通過設計數據采集模塊將穩像系統中陀螺儀輸出的模擬信號采集出來，并轉換為數字信號發送給PSoC開發板后，通過串口與PC機連接，在PC機上完成對采集到的陀螺儀數據的后續處理。PSoC核心部分包含PSoC的硬件設計與軟件設計，主要負責陀螺儀數據的采集、存儲以及通信。

2 PSoC開發工具

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

在本設計中選用市場發展潛力更大的[4]PSoC5模塊板實現數據采集系統的時序控制和通訊控制[5-6]。PSoC 5性能參數如表1所示。

圖1 PSoC陀螺儀數據采集系統結構

開發包中包含的PSoC Creator集成開發環境支持C語言，且PSoC C語言基本上是標準的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語言進行PSoC 5的嵌入式程序的開發。

3 PSoC平臺硬件設計

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

3.1 工程創建及處理器選型

設計工程名稱為：HY_UART；器件架構為：Empty PSoC5LP design；具體器件型號為：CY8C5868AXI- LP035。

3.2 系統時鐘設計

根據開發工具包的時鐘資源和應用系統的要求將時鐘設計為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轉換器按照1kHz的采樣頻率進行模數轉=換。因此，設計輸入時鐘頻率100kHz，定時周期1ms，8bit減法計數器，連續運行，以TC信號為中斷源。

3.4 UART模塊

UART模塊用于串行通訊控制。設計波特率115200，1位起始位，1位停止位，1位偶校驗，8位數據位，只使用接收中斷。

3.5 并行數字接口

并行數字接口用于16位六通道同步采樣芯片AD7656的并行輸出數據接口及時序控制，在PSoC Creator中，并沒有提供標準的并行數字接口模塊。經過研究設計使用EMIF接口作為并行接口的主體，并配置1個控制寄存器和1個狀態寄存器作為控制信號和狀態信號用來實現并行數字接口。

EMIF接口電路硬件設計參數為：24位地址，16位數據，異步時序；控制寄存器電路硬件設計參數為：1位數據位，直接控制；狀態寄存器電路硬件設計參數為：1位數據位，時鐘頻率33MHz。

3.6 器件管腳分配設計

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

4 PSoC系統軟件設計

PSoC硬件設計完成后，需要根據應用系統的功能要求，手動添加與應用目的有關的程序代碼。

4.1 程序主框架

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

后續的代碼開發工作主要包含2個部門的內容：完善main()函數；重載需要變更的API函數。

4.2 Main() 函數

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

表1 PSoC 5性能參數

圖2 器件管腳分配

4.3 AD7656_read()函數

AD7656_read()函數用于控制AD7656的并行數據接口的讀取時序，使用全局變量AD_data進行參數傳遞，因此沒有設計返回值。

4.4 RS422_TX()函數

RS422_TX()函數用于UART發送控制，其通訊協議是根據上位機串口數據接收軟件的協議指定的。

4.5 編譯、鏈接結果

在編譯完成后，可通過串口程序與PC機相連，進行后續的數據處理等。

5 上位機串口數據接受程序

完成串口數據接收，并保存采集到的陀螺儀數據，以“raw”格式進行保存，便于Matlab程序調用，用于后續的數據處理算法研究和試驗驗證。

5.1 靜態實驗

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

采集1組數據，采樣時間1min。用Matlab編寫Allan方差計算函數，畫出原始數據及Allan方差如圖3，并列出Allan方差系數計算結果如表2。

根據Allan方差計算結果可知，對于MEMS陀螺儀，其零偏不穩定性、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，說明數據采集系統精度較高，驅動性能較穩定。零偏不穩定性較高則是由數據中的低頻零偏波動所引起的，主要為電子器件溫漂、電路噪聲以及環境噪聲等。速率隨機游走來源不確定，當前的研究認為其可能是具有長相關時間的指數噪聲的極限情況，也可能源于晶體振蕩器的老化效應。速率斜坡本質上是一種確定性誤差，可能與穩壓源，外界環境溫度的變化以及陀螺本身的精度有關。

表2 Allan方差系數計算結果

5.2 動態達位實驗

受實驗裝置影響，僅在＋40°～－40°的角度范圍內對陀螺儀進行動態達位試驗，利用PSoC開發板和上位機程序采集角速度為10°/s，20°/s，30°/s，40°/s時的數據，并記錄如表3所示。

表3 各角速度下平穩時的均值

Table 3 Mean when smooth at each angle speed

根據以上數據可知，轉臺角速度升高，陀螺儀達到穩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

本文設計的PSoC的陀螺儀數據采集系統方法簡單，易于實現。運用PSoC5內部的定時器、串行通訊控制器和A/D并行數字接口等功能模塊完成電路設計，節省設計時間、減少板卡空間、降低功耗，同時還能提高系統質量、降低系統成本，特別適合于要求精密且體積小巧的應用，為減小穩像系統體積奠定了基礎。本文選用的ADXRS622型MEMS陀螺儀屬于商業級陀螺儀，并不是目前性能最好的MEMS陀螺儀。預計未來突破元器件與技術封鎖后，可以將PSoC與更高精度的MEMS陀螺儀相結合，設計出更加符合精致制導武器發展需求的穩像系統。

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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，主要從事光學計量專業。E-mail: hyloveconan@163.com。