单片集成三轴微机械陀螺测控系统研究

　　1引言

　　近些年来，人们一直在致力于低成本的陀螺的研制，但到目前为止，大部分的研究集中于单轴和双轴陀螺，只能测量载体一个或两个方向的角速度。测量全空间角速度的单片集成陀螺是发展的必然趋势，体积小，大大减免了装配误差，从而提高了系统测量精度。

　　图1是东南大学研制出的单片集成三轴微机械陀螺电镜扫描图(SEM)，在一块芯片上集成了3个单独的陀螺，左边图是两个水平轴陀螺，右边图是垂直轴陀螺。

　　如果采用类似于传统的单轴陀螺的架构方式，则需要三套完全独立相同的电路。测控线路变得复杂，器件多，相互干扰严重，大大降低了陀螺精度。本文结合研制的三轴微机械陀螺，基于DSP和ARM平台设计了测控系统。该测控系统器件少、温度漂移小、配制灵活，精度高。

　　2工作原理

　　根据振动微机械陀螺的特点设计整个系统，图2是其原理示意图和等效的质量一弹簧一阻尼集中参数系统。质量块在大小为Fosin ωt的外力作用下沿X轴方向振动。当陀螺在基座带动下以角速度 Ω绕Z轴转时，质量块会受到沿Y轴方向的哥氏惯性力的作用沿着Y轴方向振动。其谐振方程可近似采用如下二阶微分方程描述:

　　本系统机电接口采用静电驱动和电容检测相结合的方式，图3是其示意图，图4是整个系统的构成图。针对每一路通道，由ARM处理器发出PWM波形，经过低通滤波等处理后分同相和反相两路波形去驱动陀螺，使其工作在谐振状态。当有载体角速度输人时，陀螺沿敏感方向振动，其振动幅度的变化转化成差分电容的变化t，由外加载波提取、放大、滤波和同步解调。

　　ARM控制多路A/D对3路同调信号采样并预处理后送人DSP中进行进一步数据处理，最后得到角速度。数据可以由USB和RS232等方式输出到其他设备。

　3硬件设计

　　本系统中需要对3路信号采样、滤波、解调等处理，计算量很大。选用TI6000系列DSP，可满足系统实时处理要求。该DSP内部有8个运算单元，理论上有8条指令可以同时执行。另外，本系统中还要完成控制、通信任务，为了充分发挥DSP的性能，在系统中采用了ARM徽处理器.ARM是32位微处理器，带有丰富的外设，非常适合各种控制和通信任务，开发资源丰富，开发工具成本低。系统中，ARM承担的主要任务是:产生参考信号;驱动陀螺;控制DDS(直接数字频率合成芯片)发出载波供给系统的其他部分;控制A/D采集;对采样数据预处理;采用USB和RS232和外界通信。

　　4软件设计