角速度无线测量系统研制

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 2.21MB 74 页 15积分

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摘要

论文致力于角速度无线测量系统的研制。以硅微振动式陀螺仪芯片

ADXRS300 作为角速度信号采集器，经过信号采集系统的 MCU 处理采集到的原

始数据信号，再由以 nRF9E5 芯片为基础的无线收发系统传输数据到汇聚节点进

行采集数据的汇总处理。系统的角速度信号的传感与传统的机械式陀螺仪优点在

于体积小、功耗低、抗干扰能力强等。信号的模数转换采用了高位数的 AD 转换

芯片 ADS1250，大大提高了系统的精度。其 I2C 的数据传输方式简化了硬件设计

和带了方便的接口协议，使得系统具有通用性。信号采集节点到信号汇集节点之

间采用短距离无线通信方式，给系统的应用带来一定的灵活性。

论文在确定角速度无线测量系统的总体设计架构的基础上，着重研究了 (1)

系统硬件设计：包括信号采集模块硬件原理图和 PCB 布线设计、模数转换模块硬

件PCB 布线设计、RF 无线通信硬件原理图设计以及调试辅助电路设计。(2)系统

软件设计：包括软件设计原则、信号采集和 I2C 数据传输模块程序设计、角速度

信号处理算法研究和软件实现、无线 RF 通信模块软件设计。（3）系统整合与调

试：在 JZJ-1 型准直仪转台上进行了角速度采集与传输试验。试验结果表明：该

系统角速度分辨率为：0.1 度/秒，角速度测量范围：-300.0 度/秒~+300.0 度/秒，

433MHz ISM 频段无线传输距离：100 米。系统运行可靠，性能指标达到了设计

要求。可望用于低速精密工作台转速测量与控制等工程领域。

关键词：角速度测量硅微振动式陀螺仪短距离无线通信 ADS1250

ABSTRACT

This thesis is to develop wireless angular rate sensing measurement system. The

system consists angular rate sensor、MCU digital processing、short distance wireless

transmitting data module, based on that silicon-micro-vibration gyroscope sensing chip

ADXRS300 used as the raw data collector、51 single chip as the MCU for raw data

processor 、chip nRF9E5 as the transmitter and receiver between the collecting

subsystem and the pooling side. Comparing with the traditional mechanical design, the

system is more excellent in small size、low power consumption、highly resistant ability

and the so on. Another side, analog signal to digital signal sampling use high-bit

converter, as many as 20 bits, and it’s with I2C protocol for data transmitting which is

more common in design. Data collecting point and data consumption point is

communicating with short distant wireless communication way, which brings

flexibility to the system.

In this thesis, mainly (1)introduce the angular rate measurement architecture,

Hardware system design, including data collecting point hardware design and PCB

design 、analog to digit converting PCB design 、RF short distant communication

hardware design、and auxiliary debugger hardware design. (2)Software system design,

including software design principle 、data collecting and I2C protocol software

implement 、angular signal algorithm research and software implement 、wireless

communication software design. (3)System integrity and testing, implementing the

system together with software and hardware, and put the whole system on the

collimator (type LZJ-1) rotate platform for testing the angular rate. Testing result

shows that: the system angular rate resolution is: 0.1 degree/second, angular rate range

is: -300 degree/second~+300 degree/second, 433MHz ISM frequency section wireless

transmit distance is: 100metre. The whole system works reliablely, and reaches the

desirable performance, can be used in measuring and controlling low speed, concise

rotating workbench and related fields.

Key Words: Digital Angular Rate Measurement ，Silicon-Micro

Vibration Gyroscope ，Short Distant Wireless Communication ，

ADS1250

III

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .....................................................................................................................1

§1.1 MEMS 陀螺仪角速度测量概述 ......................................................................1

§1.2 ISM 频段短距离无线通信技术概述 ...............................................................2

§1.3 基于 ADXRS300 的角速度测量系统架构 .................................................... 4

§1.4 论文主要研究内容 ..........................................................................................5

第二章角速度无线测量系统总体设计 .........................................................................7

§2.1 系统设计要求 ..................................................................................................7

§2.2 系统设计方案 ..................................................................................................7

§2.2.1 角速度信号传感工作原理 ...................................................................7

§2.2.2 20 位数据 AD 转换工作原理 ...............................................................8

§2.2.3 信号处理与无线通信 ...........................................................................9

§2.2.4 芯片选型 .............................................................................................11

§2.3 系统设计核心技术问题 ................................................................................14

§2.4 本章小结 ........................................................................................................14

第三章角速度无线测量系统硬件设计 .......................................................................15

§3.1 角速度传感芯片信号采集模块硬件设计 ....................................................15

§3.1.1 ADXRS300 概述 ................................................................................. 15

§3.1.2 ADXRS300 工作电路设计 ................................................................. 16

§3.1.3 ADXRS300 电源和接地端设计 ......................................................... 17

§3.1.4 ADXRS300 带宽设定 ......................................................................... 17

§3.1.5 ADXRS300 输出调零 ......................................................................... 18

§3.1.6 ADXRS300 管脚和电路设计 ............................................................. 18

§3.1.7 角速度传感芯片电路设计和 PCB 电路图 ........................................ 19

§3.2 AD 数模转换芯片模块硬件设计 .................................................................. 20

§3.2.1 ADS1250 芯片概述 .............................................................................20

§3.2.2 ADS1250 芯片操作原理 .....................................................................22

§3.2.3 ADS1250 数据转换模块 PCB 设计 ................................................... 24

§3.3 RS232 与PC 通信 PCB 设计 ........................................................................ 25

§3.4 无线 RF 通信模块电路设计 ..........................................................................25

§3.4.1 RF 芯片 nRF9E5 概述 ........................................................................ 25

§3.4.2 RF 芯片寄存器及其外设 ....................................................................26

§3.4.3 通信模块电路原理图设计 .................................................................28

§3.5 角速度无线测量系统硬件电路整体设计 ....................................................28

§3.5.1 硬件电路整体布局概述 .....................................................................28

§3.5.2 硬件电路的整体 PCB 布线 ............................................................... 29

§3.6 本章小结 ........................................................................................................31

第四章角速度无线测量系统软件设计 .......................................................................33

§4.1 软件设计基本原则 ........................................................................................33

§4.2 信号采集系统软件设计 ................................................................................34

§4.2.1 数据获取方式 .....................................................................................34

§4.2.2 AD 转换 I2C 串口通信数据获取驱动 ............................................... 36

§4.2.3 I2C 串口通信数据获取驱动软件编写 ...............................................38

§4.3 MCU 与PC RS232 通信驱动设计 ................................................................41

§4.4 无线 RF 模块软件设计 .................................................................................42

§4.4.1 RF 芯片设置 ........................................................................................42

§4.4.2 RF 工作模式设置 ................................................................................43

§4.4.3 nRF9E5 内部 SPI 设置及读写 ........................................................... 44

§4.4.4 RF 无线通信程序的设计 ....................................................................44

§4.5 MCU 与nRF9E5 的基于 I/O 内部协议软件实现 ........................................49

§4.6 角速度信号处理算法和软件设计 ................................................................49

§4.6.1 信号处理算法研究 .............................................................................49

§4.6.2 信号处理的软件设计 .........................................................................50

§4.7 本章小结 ........................................................................................................51

第五章角速度无线测量系统整合与测试 ...................................................................53

§5.1 系统硬件调试 ................................................................................................54

§5.1.1 ADS1250 模数转换的参考电压值测试 .............................................54

§5.1.2 ADXRS300 输出固定参考电压测试 ................................................. 54

§5.1.3 辅助调试单片机晶振测试 .................................................................55

§5.2 系统软件调试 .................................................................................................55

§5.3 系统整合测试 ................................................................................................55

§5.3.1 ADS1250 的I2C 数据传输调试 .........................................................55

§5.3.2 无线通信系统测试 .............................................................................56

§5.3.3 系统角速度测量与分析 .....................................................................57

§5.4 本章小结 ........................................................................................................58

第六章总结和展望 .......................................................................................................59

§6.1 总结 ................................................................................................................59

§6.2 展望 ................................................................................................................59

参考文献 .........................................................................................................................61

附录 ...............................................................................................................................63

在读期间公开发表论文和承担科研项目及取得成果 .................................................75

致谢 ...............................................................................................................................77

第一章绪论

§1.1 MEMS 陀螺仪角速度测量概述

惯性导航、惯性制导和惯性测量系统离不开惯性测量核心器件陀螺仪。传统

的陀螺仪体积大、功耗高、易受干扰，稳定性较差，已经不适应当前系统设计的

要求，一种新型速率陀螺仪芯片应要求而出现[1]。美国模拟仪器公司 ADXRS 芯

片系列[2]就是其中的代表，低功耗、体积小、抗干扰强、稳定性高是该芯片的突

出优点，并且在 MEMS（微机电系统）技术推进下，信号检测、滤波等已经集成

到芯片本省上面，使得开发系统简便周期小。

ADXRS 芯片在开发角速度测量系统中运用前景看好，对于系统要求体积小、

可靠性高、功耗低、振动性好、精度高来、抗干扰能力强说，无疑是最好的选择。

它的电路结构简单，能精确测量转动物体的偏航角速度，适用于各种惯性测量系

统。MEMS 技术不断地发展，也会带动这类型的芯片价格下降，ADXRS 势必会

广泛运用在各种实际的场合。

陀螺仪作为一种惯性测量器件，是惯性导航、惯性制导和惯性测量系统的核

心部件，广泛应用于军事和民用领域。传统的陀螺仪体积大、功耗高、易受干扰，

稳定性较差，最近美国模拟器件公司推出了一种新型速率陀螺芯片 ADXRS，它

只有 7mm×7mm×3mm 大小，采用 BGA-32 封装技术，这种封装至少要比任何其

他具有同类性能的陀螺仪小 100 倍，而且功耗为 30mW，重量仅 0.5g，能够很好

的克服传统陀螺仪的缺点。由 ADXRS 芯片组成的角速度检测陀螺仪能够准确的

测量角速度，此外还可以利用该陀螺仪对角度进行测量。

基于微机械加工 MEMS 角速度计的研究在飞速发展，研究成果不断涌现[3]-[4]。

这类微机械惯性器件采用微电子工业开发的加工技术，像制造集成电路那样来生

产惯性器件，可以进行大批量重复生产。这种生产技术决定了微机械惯性器件具

有价格低、可靠性高、尺寸小和质量轻的突出特点。微机械角速度计性能可达到

中等精度，能满足大量航空航天的要求与绝大多数民用要求，如汽车工业与医用

电子设备等。这种角速度计具有极高的性能价格比。随着 MEMS 技术的深入发展，

微机械角速度计测量精度不断提高，在采用力平衡技术后，其精度可以大幅提高。

因为采用硅微加工技术，使得微机械角速度传感器的测量电路、信号调节电路都

能被集成在硅片中，甚至可以把微处理器也集成在芯片中从而组成智能传感器[5]。

角速度无线测量系统研制

这样既可以提高传感器的性能，又可以降低成本。传感器的集成可以带来很多好

处，可以提高信号的信噪比，减少外界的干扰[6]。如果没有集成，传感器的电信

号需要经过传输线送到信号处理电路，而传感器的电信号往往都非常微弱，那么

来自传输通道的干扰会对信号产生很大的影响，为了达到要求精度，不得不在电

路上的进行处理，会带来额外的工作量[7]-[8]。集成传感器就可以很好的解决这个

问题，它将敏感元件产生的信号经过信号处理电路处理之后才送到后继的处理电

路进行进一步的处理[9]-[10]。因此传感器与信号处理电路的集成可以大大提高测量

系统的抗外界干扰能力。

MEMS 陀螺仪价格变得越来越便宜，体积也越来越小[11]。技术的发展和价格

的降低使得集成式 MEMS 陀螺仪能很好地工作于许多实际应用场合，市场需求量

不断增长。MEMS 陀螺仪一般测量的是角速度而不是位移。角速度测量更加有用，

因为可以根据运行时间间接测量出角位移和速度，基于 MEMS 陀螺仪可以用来测

量以度/秒为单位的角速度。随着微机械加工工艺和陀螺仪的设计技术水平不断提

高，角速度传感器正朝着微型化、集成化的方向发展，外形更小巧，测量更精确，

功能更强大，价格更低廉的陀螺仪已经成为可能。ADXRS 角速度检测陀螺仪体

现了这方面的特点，它尺寸小，功耗低，抗冲击和振动性好，电路结构简单，能

精确测量转动物体的偏航角速度，适用于各种惯性测量系统，是陀螺仪技术的一

个飞跃。

MEMS 陀螺仪被广泛用于各种消费类设备[12]，如数码相机的图像防抖、笔记

本电脑的硬盘保护和数字罗盘。陀螺仪还在汽车的电子稳定控制(ESC)系统中得到

了很好的应用。随着工业和消费类机器的发展，陀螺仪将有望在这两个市场大显

身手，并有助于满足组装线上提高自动化程度的要求。市场调查公司美国 iSuppli

预测，即使汽车需求减退，今后数年内 ESC（Electronic Stability Control，防侧滑

装置）和用于该装置的 MEMS 部件的市场规模也将继续扩大[13]。该公司预测，

美国 08 年新车销量将比上年减少 17.7％、为 1330 万辆，西欧市场将同比减少

8.2％、为 1540 万辆。不过，预计新车 ESC 导入率将从 06 年的 28％上升到 2012

年的 57％。由于美欧必须配备 ESC，所以尽管景气出现恶化，但 ESC 市场仍在

继续扩大。与此同时，用于 ESC 的加速度传感器、角速度传感器和压力传感器等

MEMS 产品的需求也在不断扩大。

§1.2 ISM 频段短距离无线通信技术概述

短距离无线通信技术使我们已真正进入一个无线技术无所不在的时代[14]-[15]。

第一章绪论

手机通话、短信息通信无处不在；GPS 导航系统为我们导航指路；无线智能家居

设备、无线故障监测系统、农作物环境监测控制系统等典型应用，让我看到无线

技术不断发展和不断扩大，无线技术正不断改变我们的生活方式。对于无线系统

来说，是以天线为载体发送接收无线电波来实现信息地正确发送和接收，发射时，

把高频电流转化为电波；接收时，把电波转换为高频电流。无线通信系统可分为

长距离无线通信系统和短距离无线通信系统[16]。典型的长距离无线通讯系统主要

包括发送终端、接收终端和中继站[17]。其中发送终端向外界发送数据信息，随着

距离的增加，需要中继站来提高信号传输质量，接收终端把信息接收下来并进行

分析、处理以备使用。长距离无线通讯系统，广泛应用于军事、交通、电台、石

油勘探等领域[18]。但长距离无线通讯系统的最大特点是通讯距离一般在几十米到

几千公里，但大部分需要申请固定的无线频道，需要交纳使用费用。短距离无线

通信系统，是随着数字通信和计算机技术的不断发展而产生的，短距离无线通信

和长距离无线通信有很多不同之处，主要有无线发射功率低适合电池供电，一般

功率在几 1mW 到小于 10mW，通信距离从几厘米到几百米。主要应用于室内无

线信息交换。典型应用包括射频身份识别（RFID）系统、无线局域网、无线条码

阅读器、无线安全系统等。随着无线技术的发展，很多专家提出了以太网在无线

领域的逻辑扩展思想，形成由许多独立的无线节点通过无线电波相互信息交换的

无线通信网络。短距离无线通信技术的典型应用领域[19]-[20]

(1)检测监控类：车辆管理系统、遥控引爆、工业遥控、无线鼠标键盘、遥测、

航模控制器、无线抄表、门禁系统、安全防火系统；

(2)数据采集类：无线工业数据采集，无线 232/485/422 数据通信；

(3)RFID：无线标签、身份识别、非接触 RF 智能卡

(4)无线传感器：温度、压力等传感器信号无线采集、机器人控制

(5)无线网络：无线局域网络，无线星形网络，无线拓扑网络

(6)无线语音：无线音频播放，无线语音通信、小区传呼。

角速度测量系统结合无线通信，实现系统设计的飞跃发展，给各种惯性、导

航等系统带来了全新的系统设计和节点网络设计概念[21]。利用短距离无线通信，

可构成各个节点与汇集点网络，再由汇集点通过互联网可以组成跨区域的相互通

信的测量系统，方便汇聚点的数据综合分析。

本论文是通过高精度，低功耗等优点的子节点测量，结合无线通信组成跨区

域的相互通信的综合测量系统。通过体积小、功耗低、稳定性强、抗干扰能力强

的子节点与汇聚节点之间短距离无线通信组合成片区测量系统。包括了信号采集、

信号处理、信号传输等环节。以 ADXRS300 芯片为角速度信号传感采集输入，高

角速度无线测量系统研制

精度、20 位数的 AD 转换芯片 ADS1250 作为模拟信号到数字信号转换，51 单片

机处理，通过短距离无线通信传输到汇集点。有系统原理设计、硬件设计、软件

算法编程等的设计过程，再结合系统整合测试与调试，完成一个稳定、高精度、

低功耗的节点子系统。

§1.3 基于 ADXRS300 的角速度测量系统架构

本论文主要的工作集中在采集节点的设计，以及节点和汇聚点之间通信的设

计。其中采集节点的设计是角速度信号采集、基本处理环节。采集节点设计包括

了角速度信号的传感和信号采集；对采集到的信号进行数字化，即传感信号到数

字信号的 AD 转换；

AD 转换后的数据通过 MCU 处理，使其能够给汇聚点所理解；

处理完的采集到的角度信号数据，通过短距离无线通信方式发送到汇聚点，由汇

聚点接收并综合处理。整体的架构设计如图 1.1 所示，

ADXRS300 是角速度信号传感集成芯片，负责速度信号的采集；ads1250 是高精

度AD 转换芯片，转换的数据通过串口从方式发送给 MCU；

MCU 可以是 DSP 或

者是 51 单片机对采集的角速度数字信号进行处理，本设计采用 51 单片机；RF

是短距离无线通信，负责与汇聚点的数据收发任务。

MCU 与RF 收发是在一个模块中，这种集成可以减少电路不稳定性，提高系

统的抗干扰能力。

角速度信号采集是整个系统稳定、精确的基础保证，信号采集的传感器要求

比较高，这正是 MEMS 器件发挥的主要作用；ads1250AD 转换器是高位数的

高精度的模数转换 IC，使用这种高精度的 IC 是发挥信号采集稳定、精确性能的

最好选择，而且它可以很好地和 MCU 单元进行数据通信，采用的是 I2C 接口，

保证数据传输的便捷和高质量；

MCU 与RF 的组合模块，大大提高了采集节点的

可再开发性。

ADXRS300 角

速度信号采集

ads1250

AD 转换

MCU

图1.1 采集节点设计架构图

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摘要：

I摘要论文致力于角速度无线测量系统的研制。以硅微振动式陀螺仪芯片ADXRS300作为角速度信号采集器，经过信号采集系统的MCU处理采集到的原始数据信号，再由以nRF9E5芯片为基础的无线收发系统传输数据到汇聚节点进行采集数据的汇总处理。系统的角速度信号的传感与传统的机械式陀螺仪优点在于体积小、功耗低、抗干扰能力强等。信号的模数转换采用了高位数的AD转换芯片ADS1250，大大提高了系统的精度。其I2C的数据传输方式简化了硬件设计和带了方便的接口协议，使得系统具有通用性。信号采集节点到信号汇集节点之间采用短距离无线通信方式，给系统的应用带来一定的灵活性。论文在确定角速度无线测量系统的总体设计架构...

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