一种新型MIMU信号采集系统

1.3 系统信号A/D 转换电路

陀螺仪和加速度计信号共有6 路，还有其它信号如温控信号等，这些信号也要进行A/D 转换，且共用一路A/D 转换器，通常用模拟多路开关将多路被测信号分别传送到转换器进行 转换。AD7501 是一种有译码器的多路CMOS 开关，它是一个完整的16 位逐次逼近式带三态 缓冲器的A／D 转换器，它可以直接与8 位或16 位微机总线进行接口可以满足系统要求。它 具有8 个输入通道（S1S8）、一个输出通道（OUT）有三个地址线（A0、A1、A2）及使能端 EN 的状态来选择8 个输入通道之一与输出端导通。片上所有的逻辑输入与TTL/DTL 及CMOS 电路兼容。

ADS7805 的一次完整操作过程是由启动转换和读数据两部分组成。和两根信号线CS 和R/C 控制看整个操作时序。由于CS 和 R／C 在芯片内部是逻辑或的关系，使得ADS7805 的使 用灵活。R／C 的下降沿将启动一次新的转换，在转换的同时将输出前一次转换的结果在转 换结束之后，输出本次转换结果。

1.4 CPLD 数据接口电路

CPLD 在整个数据采集系统中的功能模块包括分频模块、AD 控制触模块、FIFO 模块、程 控增益放大控制模块和数据通道模块，所有这些都通过CPLD 技术实现，是用原理图和VHDL 混合编程实现其逻辑电路功能。 本系统将CPLD 设计的计数器产生的定时输出信号（OUT）与A/D 转换器ADS7805 的启动 信号输入脚R／C 相连，由计数／定时器的定时输出脉冲启动A／D 转换，A／D 转换结束信 号 （EOC）与导航计算机的中断输入IRQ 相连, A／D 转换完成后即发出中断信号，进入中 断服务程序，由服务程序将转换结果数据写入内存或数组。

2 系统软件的编写

本系统是高速数据采集系统如果用中断方式进行数据采集，每传送一个数据都要进行中 断响应、保护现场、进入中断服务程序、结束中断时恢复观场、返回主程序等工作这不仅降 了速度，而且是一些重复件的工作，所以对于高速数据采集，用中断方式发挥不了高速A／ D 转换的效益，必须用DMA 方式进行数据传输。用DMA 方式进行数据采集，通常采用定时器， 当定时器计时到了时间，则发出输出错启动A/D 转换。A/D 转换的数据通过DMA 方式传送到 存储器规定的单元，当所有数据全部采样结束后，发出中断信号进入中断服务程序，有中断 服务程序将存储器的数据读到指定的数组或磁盘上，或进行数据处理。其传输过程一般是这 样的：A/D 采集板上的定时器定时到，启动A／D 转换，A／D 转换结束后向系统板上的DMA 控制器发出请求DMA 传输信号DREQ，DMA 送DACK 信号，将转换结果写入指定的内存单元， DACK 信号清除接口的DREQ 信号，等待再次DMA 请求，以进行第二次DMA 传送，此过程反复 进行，直到DMA 的字数计数器达到终值，然后DMA 发出计数结束信号C／T，产生中断，由 中断服务程序将DMA 传送到内存的数据读到数组或写到磁盘上，或进行处理。系统A/D 转换 一次采样流程图如下所示：

3 系统性能分析

首先讨论系统的动态采集范围。由于ADS7508 的最大非线性误差为正负3LSB，故能保 证转换结果的前14 位数为精确有效值，又满量程输入为10V,程控放大器的最大放大倍数为 1000 时，此时陀螺仪信号采集系统的最小分辨数值LSB 为：

点放大电路，扩大了系统的动态测量范围，大大减小了信号转换的量化误差，有效地解决了IMU 信号动态测量范围宽的问题。

ADS7805 每完成一次转换至少需要5μ s的时间，这对单指令周期为10ns 的PC104来说， 每次A/D 转换期间可执行500 条指令，能够完成滤波和其它相关的任务。因此，六个通道并 行运行时，每个通道的采集速率大于66.7Ksps,本系统具有很好的实时性能。

4 结束语

本文对姿态测量系统信号的数据采集原理进行了介绍，并在工程实践中设计实现了陀 螺仪和加速度计信号的滤波、采样保持、可编程增益放大和A／D 转换，并用CPLD 技术实现 了采样后的数字信号和总线的接口电路。从上面的分析可知该微型惯性测量组合具有动态范 围大、实时性能好、测量精度高的优点，满足了姿态测试系统的要求。该技术也可推广到其 他信号变化范围大、实时性要求高的数据采集系统中。

本文作者创新点：随着MEME 技术的发展，以MEMS 技术为支撑的微小惯性测量组件也 相应的产生，由于其动态范围大，零漂大，信号不稳定等特点，本文设计了一种带有滤波功能，并带有可编程控制调节增益的数据采集系统，这套系统可以克服MIMU 动态范围大、零漂大、信号不稳定的特点。

来源：维库开发网