一种新型MIMU信号采集系统

摘要：针对微型惯性测量组合动态范围宽、精度高、实时性强的要求，设计了一种新型的数据采集方法，该方法具有精度高、量程宽、速度快的优点。着重介绍了这种方法的电路实现，通过跑车试验，经过解算各个姿态参数完全符合系统的要求，可广泛用于弹载姿态测试和组合导航系统中。

0 引言

随着MEMS 技术的迅速发展，相应的以MEMS 技术为依托的MIMU 也相应的产生，由于MIMU 动态范围大、精度高、实时性强等特点，传统的压频转换法（V/F）和流频转换法（I/F）以 不能适应MIMU 的这些特点，而且代价昂贵，电路设计复杂。本文设计了一种新型的数据采 集方法，具有精度高、量程宽、速度快的优点。

1 系统概述

由于微型惯性测量组合采用的是电压输出量，本系统采集过程如下：陀螺仪和加速度计 信号经过采样预处理后等待进行转换，开始先进行初始化，其中可编程放大器增益预设为1， 现场模拟信号经LF398 采样保持放大器送由AD526 构成的可编程增益放大器，放大后信号经 A／D 转换先不送存储器而是经总线送导航计算机。由导航计算机在软件中判断此信号是否 应该调整，若不需调整增益则将此信号值存入存储器中，否则根据计算得到的合适增益控制 字，送AD526 调整增益，再进行A／D 转换井缓存。最后系统通过中断、DMA 传输数据给导 航计算机进行姿态解算，到系统的姿态信息。采集系统的方框图如图1 所示其详细电路原理 将分模块介绍。

1.1 采样信号预处理

在惯性姿态测量系统中，陀螺仪和加速度计的输出信号具有信号微弱、干扰大、噪音 多等特点，在进行采样之前必须先进行预处理。

1.1.1 滤波器设计

固态小型惯性姿态测量系统计算的依据是惯性敏感元件的输出，而其输出中往住包含 有随机噪声，因此需要对敏感元件的输出进行预采样滤波，以削弱高次谐波或频率较高的干 扰和噪声，来保证系统的精确度。比较无源滤波电路，由集成运放和RC 网络组成的有源滤 波电路有很多优点，我们选择用有源低通滤波电路进行滤波处埋。最常用的有源滤波电路是 二阶压控电压电源式和无限增益多路反馈式两种。前者的反馈引至运放的同相输入端，如果 参数不合适将产生自激振荡，后者的反馈引至运放的反相输入端，则避免了因通带电压放大 倍数过大而产生自激振荡，性能稳定，所以我们采用后者。因此设计了一种butterworth 的低通滤波器，我们采用了高精度运算放大器OP491 作为其中的运放而无限增益反馈滤波电 路对信号进行了反相处理，我们在用一个反相比例电路将其再反相回来才是真实信号。

1.1.2 系统信号采样保持电路

模拟信号进行A／D 转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定地转换时间， 在这个转换时间内，模拟信号要基本保持不变。在这里用到的采样／保持器是LF398，LF938 是美国 National Semiconductor 公司生产的，它由A1、A2 两个运算放大器、模拟开关和 开关驱动电路、三极管D1 和 D2 构成的保护电路等组成。它采用 8 脚双列直插或金属管壳 式封装。

本惯性姿态测量系统中，三个陀螺仪和三个加速度计的信号共有六路，这六路信号分别 接入采样/保持器LF398 的3 引脚。六个LF398 的8 引脚先连在一起都接到CPLD 的引脚，用 来启动采样保持。

1.2 系统信号可编程增益放大电路

在本系统中由于陀螺仪的动态输出范围很宽，为了提高系统的分辨率，通常的做法是增 加量化位数。然而普通的高位A／D 在转换精度和速度上总是难以兼顾，因此有必要设计低 成本的大动态范围高速数据采集器。我们可以采用可编程放大器（PGA）先将陀螺仪信号根 据要求自动调整到合适A／D 转换的最佳输入范围，然后再进行A／D 转换这样可有效保证在 小信号输入时的转换精度，扩大了采集系统的动态范围。

AD652 是美国模拟器件公司生产的一种单端可编程增益放大器，其数字化可编程二进制 增益从l、2、4、8 到l6，两片级联后可实现二进制增益到32、64、128、256。AD652 内部 包括调漂移BIFET 放大器、激光晶片平衡电阻网络、JFET 模拟开关和TTL 兼容的增益编码 锁存器。 本系统采用了两片AD526 它们级联后可实现二进制增益l、2、4、8、16、32、64、128、 256，以满足系统的宽动态范围。

来源：维库开发网