微机械加速度计的集成化数字接口

　　0　引　言

　　传统的传感器普遍是利用模拟电路技术设计并以模拟电压或电流方式输出所测量到的物理量。近来,数字化智能传感器成为了传感器技术发展上一个新的亮点。利用数字技术的优势,单片集成化、智能化、网络化、系统化越来越成为未来传感器的方向。本文就是介绍在以往模拟传感器技术的基础上,在惯性测量传感器上集成数字接口,使之成为智能化传感器的一种设计方案[1]。

　　本文作者所在的清华大学精密仪器系导航技术中心在微机械加速度计的多年研究中,获得了大量的成果和经验。但在惯性传感器研制过程中,深刻感受到模拟输出的加速度计具有一些固有局限:

　　(1)模拟输出易受干扰,需要在使用时考虑很多外部接口因素;

　　(2)高精度的模拟输出信号采集困难,对于用户电路的性能要求很高;

　　(3)传感器受温度影响大,通常需要附加温度补偿措施才能获得良好的性能;

　　(4)模拟输出的传感器的指标一致性问题受制造工艺和电路影响很难解决。对于加速度计这种惯性器件来说,多个传感器配合形成惯性空间参考坐标系组合需要用户进一步修正。

　　1　数字化接口的设计思路及原理

　　基于以上众多的因素,提出了传感器数字化的设想,数字系统原理图如图1所示。

　　图1描述的系统解决了模拟系统现存的问题,并具有如下的特点:

　　(1)系统采用了串口输出,数字信号传输的稳定性解决了模拟输出易受干扰的问题;

　　(2)输出信号为数字的实际加速度物理量,无需在用户电路中进行模拟电压→数字信号→加速度量转化,解决了用户使用中高精度AD转换的设计问题;

　　(3)在系统运行中,数字计算单元使用程序进行温度模型补偿计算,用户得到的数据消除了温度的影响,可以简化传感器的使用;

　　(4)在系统运行中,数字计算单元使用程序和存储的标定参数对输出数据进行修正,对用户而言,所有的加速度计都具有很好的一致性;

　　(5)当多个加速度计组合在一起时,数字计算单元使用程序进行系统模型修正。用户的使用无需涉及惯性空间坐标向量的分解和合成。

　　但是,模拟器件的数字化并不是简单的增加数字系统,在传统模拟器件成熟的设计方案上,数字接口的设计过程中需要解决很多问题。

　　2　数字化设计方案

　　2.1　运算单元子系统

　　在数字系统中,通常可以选择单片机,DSP,FPGA甚至定制集成电路作为系统的计算核心。表1列出了通常的计算能力单元各项因素分析表格,通过比较可以比较客观地进行选择。