[发明专利]一种惯性传感器IMU信号模数转换模块

说明书

技术领域

   本发明涉及一种惯性传感器IMU信号模数转换模块，特别适用于捷联惯性导航系统惯性传感器信号采集、故障诊断及数据精度标定方法。  

背景技术

进入21世纪以来，使用捷联式系统代替平台式系统完成导航任务，已经成为新世纪惯性技术发展的趋势。由于飞机、战术导弹、鱼雷的导航系统具有中等精度与低成本的要求，采用捷联式惯导系统十分适宜，因此在这些领域中已经广泛采用捷联式系统。据有关资料报道，1984年以前美国军用惯导系统全部为平台式惯导系统，到了1989年已有一半改为捷联式惯导系统，而到1994年捷联式惯导系统己占有了90﹪的比重。 

       惯性传感器IMU（包括陀螺仪和加速度计）是捷联惯性导航系统最核心的原件，捷联系统根据惯性传感器输出的信息（陀螺仪敏感运动载体的角速率，加速度计敏感运动载体的线加速度）根据捷联算法计算出运动载体的姿态角、速度和位置等导航参数，因此IMU的数据采集与预处理显得极为重要。 

首先在捷联导航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，在进行采样前必须先进行预处理，将信号放大、滤波及整流后才能使用。其次，捷联惯性导航系统拥有导航信息更新率较高的特点，一般采样频率得到100Hz或者200Hz甚至更高，如此高的频率必然对所有陀螺仪和加速度计的采样同步性提出更高的要求。再次，IMU属于高精度敏感元件，器件特性及精度受温度等物理量影响较大，因此，亟需实时监测IMU及内部工作环境温度，供构建温度补偿模型并采用数据拟合等标定方法提高IMU输出精度。最后，捷联系统由于其误差随时间增大的缺点促使人们经常将其与其他导航系统组合使用，如捷联/GPS组合系统等，因此对组合导航系统的故障自诊断特性及容错性提出更高的要求，首先需要在硬件上实时查询IMU的工作状态，当出现故障时能够及时报错。 

本发明针对以上问题设计了一种惯性传感器IMU信号模数转换模块，实现了200Hz的高速同步采样，并且在采样前对陀螺仪和加速度计信号进行了两级运放预处理，将信号放大、滤波及整流后使用，采样后进行实时数据建模及补偿提高其采样精度。同时实时报告IMU故障及工作温度，提高捷联系统和组合导航系统的可靠性及容错性。  

发明内容

   本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，设计一种惯性传感器IMU信号模数转换模块，特别适用于捷联惯性导航系统惯性传感器信号采集、故障诊断及数据精度标定方法。 

本发明的技术解决方案为： 

一种惯性传感器IMU信号模数转换模块，其包括惯性传感器IMU模拟信号预处理模块和模数转换、自诊断与数据平滑模块，其特征在于：所述IMU模拟信号预处理模块中将3路动调挠性陀螺仪和3路石英加速度计输出的模拟电流信号分别经过3路高精度陀螺仪信号采样电阻和3路高精度加速度计信号采样电阻转换为电压信号，3路高精度陀螺仪信号分别经过3路前向滤波通道进行滤波，3路加速度计信号分别经过3路前向滤波通道进行滤波；

所述3路前向滤波通道输出的3路陀螺仪模拟信号分别经过所述模数转换、自诊断与数据平滑模块中的3片16位模数转换ADC芯片进行模数转换，得到串行转换数据，再经过1片现场可编辑逻辑芯片CPLD进行串行数据到并行数据的转换得到16位IMU并行转换数据；

所述3路前向滤波通道输出的3路加速度计模拟信号分别经过所述模数转换、自诊断与数据平滑模块中的3片16位模数转换ADC芯片进行模数转换，得到串行转换数据，再经过1片现场可编辑逻辑芯片CPLD进行串行数据到并行数据的转换得到16位IMU并行转换数据；

高速微控制单元MCU通过8位数据总线分时获取所述16位IMU并行转换数据、IMU故障诊断监测信号和温度传感器芯片测量的温度值，以固定报文格式经光耦隔离与电平转换装置后发送给导航计算机系统，同时通过RS422串口接收导航计算机系统传送过来的200Hz时钟信号对IMU采样频率进行控制。

本发明还包括以下特征： 

1. 所述的6路前向滤波通道中每路滤波通道由两片运算放大器OP177组成，第一片完成电压滤波，第二片完成电压跟随，同时在输出末端增加由整流二极管和稳压二极管构成的限幅电路，将输出电压控制在 -5V到+5V之间。

2. 所述的6片16位ADC芯片选用MAX195芯片，电源为+5V和-5V，参考电压为+4.096V，且配置为双极性模式，即输入电压范围为-4.096V到+4.096V，CPLD控制6片MAX195同步采样。