单轴加速度计信息采集系统设计

　　1 引 言

　　随着惯性导航技术的迅速发展， 加速度计作为惯性系统的重要组件性能有了很大的提高， 由最初的摆式加速度计、 静电加速度计等发展到现在的石英加速度计、 微机电加速度计。 其中， 微机电加速度计以其成本低、 体积小、 重量轻、 精度低、 稳定性差等特点被广泛应用于车载、 弹载以及民用惯性导航系统领域。 而挠性石英加速度计具有精度高、长期稳定性好、 体积小等优点， 被广泛应用于高精度惯性导航系统[1-4]。

　　目前， 挠性石英加速度计的信号采集方法主要有 I/F、 I/V 加 V/F、 I/V 加 A/D 3 种方式[5-10]。 3 种方式各有优缺点， 前两种方式由于采用了测频芯片， 转换速率较慢， 且成本很高， 但转换精度较高; 第三种方式的转换速率较快， 但 A/D 芯片的位数限制了转换精度， 特别是在小信号情况下， 误差较大。

  　2 系统方案

　　依据实际需求考虑， 该系统采用 I/V 加 A/D 方案， 为了提高小信号时的系统精度， 采用切换采样电阻阻值的方式将小电流信号转换成大电压信号。系统框图如图 1 所示。

　　传感器信息经过滤波放大电路后由 AD 转换器完成数据转换， 单片机将 AD 采样数据传送给上位机， 同时进行量程判断， 切换好量程后再进行第二次信息采集。

　　3 信息采集系统硬件设计

　　单轴加速度计信息采集系统针对的是石英挠性加速度计， 经过标定的标度因数为 1.261 mA/g， 分辨率达到 　g， 量程为±10 g。 主要参数见表 1。

　　3.1 信息采集模块主要硬件

　　转换芯片采用 AD7732， 该芯片的转换精度高，转换速率快， 通信方便。 控制芯片采用 C8051F340，该芯片速度快， 成本低， 封装小。 为了减小电感效应， 适应量程切换的速度， 采样电阻采用精密金属膜电阻。 由于采样电阻阻值较大， 需用放大器进行隔离。 选用输入阻抗大、 输出阻抗小的仪表放大器。　模拟开关采用反应速度快的 DG417。

　　3.2 数据采集电路

　　3.2.1 数据采集模块电路搭建

　　图 2 为加速度计信号采集原理， 加速度计信号经过模拟开关流经采样电阻再回到地， 构成回路。电压信号通过滤波放大电路进行处理后由 AD7732 信号采集通道采集。 A/D 转换后通过 SPI 串口传送给C8051F340 单片机， 单片机接收到的第一次数据是由K1 通道发出的，通过判断 K1 通道上的电压值来决定下一步采样所用的量程，量程选定后通过 138 译码器控制模拟开关进行量程切换。 由于加速度计最大输出电压为 9 V，因此，在电流稍大的情况下 (>0.8 mA)，需要切换到小电阻量程， 使输出结果能准确反映电流值。 采样得到的电压值由单片机处理后经 RS232串口传送给上位机