李國(guó)斌， 吳校生

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 微納電子學(xué)系 微米納米加工技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市北斗導(dǎo)航與位置服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

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基于FPGA的壓電陀螺數(shù)字化檢測(cè)電路設(shè)計(jì)*

李國(guó)斌， 吳校生

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 微納電子學(xué)系 微米納米加工技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市北斗導(dǎo)航與位置服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

針對(duì)壓電微固體模態(tài)陀螺的信號(hào)采集與算法要求，設(shè)計(jì)了基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)的兼具高精度高采樣頻率的陀螺數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的原理與實(shí)現(xiàn)方法。FPGA主控芯片選擇XC6SLX25，ADC選擇AD7960芯片(18 bit，5MSPS)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，制作的樣機(jī)可以同時(shí)采集三路輸出信號(hào)，并實(shí)時(shí)處理傳給上位機(jī)顯示。測(cè)得陀螺共振頻率穩(wěn)定在349.89 kHz，上下波動(dòng)范圍8 Hz，參考端輸出電壓峰峰值的均方差為0.004 V。檢測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定，具有較高精度。研究的數(shù)字化檢測(cè)電路能很好地應(yīng)用于MEMS微陀螺檢測(cè)信號(hào)的處理，提高M(jìn)EMS微陀螺的穩(wěn)定性和抗干擾性。

壓電陀螺； 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列； 數(shù)字檢測(cè)； FIR濾波； 高精度； 高采樣頻率

0　引　言

陀螺是用于測(cè)量運(yùn)載體姿態(tài)角或角速度的一種慣性傳感器。隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)[1]技術(shù)的發(fā)展，MEMS微陀螺儀以其尺寸小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在汽車導(dǎo)航、消費(fèi)電子以及航空航天等領(lǐng)域擁有廣闊的發(fā)展前景。

當(dāng)前，MEMS微陀螺的檢測(cè)電路大多采用模擬技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是存在抗干擾能力弱，調(diào)試及控制系統(tǒng)復(fù)雜等不足。隨著數(shù)字接口芯片(AD/DA)性能的提高，數(shù)字電路替代部分模擬電路是一種必然趨勢(shì)。現(xiàn)有的數(shù)字電路檢測(cè)技術(shù)，還主要是針對(duì)30 kHz以下的低頻陀螺信號(hào)[2]，本文研究的壓電式微固體模態(tài)陀螺的參考振動(dòng)頻率340～400 kHz，該頻率段微陀螺數(shù)字檢測(cè)電路對(duì)采樣頻率和分辨率有更高的要求，對(duì)它的研究目前尚未見(jiàn)報(bào)道。

本文采用基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)的數(shù)字檢測(cè)技術(shù)，完成硬件電路和檢測(cè)邏輯設(shè)計(jì)，搭建測(cè)試平臺(tái)，完成陀螺檢測(cè)電路數(shù)字化測(cè)試。

1　壓電型微固體模態(tài)陀螺工作原理

圖1為壓電微固體模態(tài)陀螺(piezoelectric micro-solid modal gyro,PMMG)的總體結(jié)構(gòu)示意圖，陀螺的核心部件是壓電長(zhǎng)方體振子。處于共振模態(tài)的陀螺，當(dāng)沿著x軸方向上有角速度輸入時(shí)，由于科氏效應(yīng)，會(huì)在z方向產(chǎn)生科氏力Fc，從而在z方向產(chǎn)生相應(yīng)的拉伸或壓縮運(yùn)動(dòng)。y軸上的一對(duì)檢測(cè)電極(如S1,S2)在參考振動(dòng)模態(tài)下振幅相同，運(yùn)動(dòng)方向相反，科式效應(yīng)下它們會(huì)受到相反的科氏力，導(dǎo)致這兩個(gè)檢測(cè)電極上的輸出信號(hào)變化相反，且變化值與外界輸入角速度成正比，據(jù)此通過(guò)外圍電路對(duì)感應(yīng)電荷或電壓進(jìn)行放大和量化，得到外界輸入角速度的大小[3]。

圖1　壓電微固體模態(tài)陀螺結(jié)構(gòu)與工作原理

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

2.1陀螺檢測(cè)原理分析

陀螺的硬件電路設(shè)計(jì)中，采用了載波調(diào)制，因此需要對(duì)陀螺輸出信號(hào)進(jìn)行解調(diào)[4]。記陀螺沒(méi)有角速度輸入時(shí)的振動(dòng)為本振，假設(shè)本振時(shí)S1,S2電極上的電荷量經(jīng)電荷放大器后的電壓Vsencor_s1和Vsencor_s2為Vcosωt。當(dāng)外界有角速度輸入時(shí)，傳感電極S1和S2的電荷量發(fā)生相應(yīng)變化，引起相應(yīng)的電壓值改變

Vsensor_S1=Vcos(ωt)+ΔVcos(ωt+φ)

(1)

Vsensor_S2=Vcos(ωt)-ΔVcos(ωt+φ)

(2)

這種變化經(jīng)過(guò)相減(Vsensor_S1-Vsensor_S2)后，得到和角速度相關(guān)的信號(hào)為

Vrotate=2ΔVcos(ωt+φ)

(3)

此時(shí)若從參考電極R1引入一個(gè)同頻同相的參考信號(hào)Rcos(ωt+φ)作為解調(diào)信號(hào)，即可將ΔV解調(diào)出來(lái)，即

Vrotate×Rcos(ωt+φ)=2ΔVcos(ωt+φ)×Rcos(ωt+φ)

=RΔV+RΔVcos(2ωt+2φ)

(4)

式中經(jīng)解調(diào)后的信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波后，只留下低頻量RΔV，此時(shí)，反映陀螺旋轉(zhuǎn)的信號(hào)即被提取出來(lái)。此處R是參考信號(hào)的幅值。

2.2陀螺驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)系統(tǒng)總體框圖

如圖2所示，陀螺閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路(closed loop driving circuit,CLDC)主要包括自動(dòng)增益控制(AGC)、鎖相環(huán)(PLL)、電荷放大器和單端轉(zhuǎn)差分放大電路[5]。

陀螺輸出信號(hào)包括兩路檢測(cè)信號(hào)Sen1，Sen2和第三路參考信號(hào)Ref3。三路信號(hào)經(jīng)AD采樣轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)后，送給FPGA進(jìn)行差分、混頻、低通濾波等處理，最終解調(diào)結(jié)果通過(guò)RS—232通信協(xié)議經(jīng)串口發(fā)送給上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示。

圖2　陀螺CLDC與檢測(cè)系統(tǒng)框圖

3　檢測(cè)方法的具體實(shí)現(xiàn)

3.1AD采樣

由于壓電型微固態(tài)模態(tài)陀螺體積小，決定了反映角速度變化的壓電體電荷變化量很小，輸出信號(hào)非常微弱。另外，陀螺共振頻率350 kHz左右，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，須以大于2倍的采樣速率進(jìn)行采樣。因此，既要保證足夠高的采樣精度，又要保證足夠大的采樣頻率。在本系統(tǒng)中，選用ADI推出的業(yè)界最快的18位、最高吞吐速率5MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7960[6]，滿足對(duì)陀螺采樣的要求。

3.2FPGA處理

根據(jù)檢測(cè)原理，將采集到的兩路檢測(cè)信號(hào)S1,S2差分處理得到與角速度相關(guān)的信號(hào)。再將其與參考信號(hào)R進(jìn)行混頻,得到低通濾波前的信號(hào)。低通濾波采用128階有限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)(FIR)數(shù)字低通濾波器[7]。濾波后的結(jié)果即為與陀螺角速度線性相關(guān)的量。通過(guò)標(biāo)定可以計(jì)算出陀螺旋轉(zhuǎn)的角速度。

與上位機(jī)的通信設(shè)計(jì)采用RS—232標(biāo)準(zhǔn)的異步串行通信接口(UART)。將FPGA處理完的數(shù)據(jù)送至計(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)保存及實(shí)時(shí)繪制波形。

圖3　檢測(cè)系統(tǒng)硬件平臺(tái)框圖

4　檢測(cè)系統(tǒng)硬件平臺(tái)

檢測(cè)系統(tǒng)以FPGA為核心。選用Xilinx公司spartan—6系列的XC6SLX25芯片[8]。本系統(tǒng)中選擇帶有SPI Flash的主動(dòng)串行(Master Serial)配置模式[9]。檢測(cè)系統(tǒng)硬件主要部分框圖見(jiàn)圖3。

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1采樣陀螺輸出信號(hào)

圖4為本振時(shí)陀螺參考端輸出信號(hào)經(jīng)移相后的采樣結(jié)果。將參考端量化電壓值轉(zhuǎn)換為實(shí)際輸出電壓，得到參考端輸出電壓峰峰值1.496 V，峰峰值的波動(dòng)均方差為0.004 V，由此可知，作為反映陀螺效應(yīng)的系數(shù)，陀螺參考端幅值穩(wěn)定性很好。

圖4　參考信號(hào)AD采樣結(jié)果

5.2128階FIR濾波器濾波效果實(shí)測(cè)

從函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出正弦信號(hào)，進(jìn)行掃頻，頻率范圍0.1～100 kHz，時(shí)間200 s，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采樣與128階FIR低通濾波，結(jié)果如圖5所示。

圖5　0～100 kHz掃頻低通濾波

可發(fā)現(xiàn)該FIR數(shù)字低通濾波器能很好滿足本系統(tǒng)要求。閉環(huán)驅(qū)動(dòng)下的系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果，如圖6所示。

圖6　閉環(huán)陀螺頻率的穩(wěn)定性

實(shí)驗(yàn)針對(duì)同一個(gè)陀螺樣品，共測(cè)試3次，每次時(shí)間間隔為1 h。從圖6中可以看出系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在349.89 kHz，上下波動(dòng)范圍8 Hz。從圖中還可以看出頻率的穩(wěn)定需要一個(gè)過(guò)程，原因是，電路中各個(gè)元器件的熱穩(wěn)定需要時(shí)間，其中包括了陀螺器件自身的振動(dòng)穩(wěn)定過(guò)程。由壓電體陀螺的機(jī)械性能知，壓電體本身是個(gè)儲(chǔ)能的器件，起振的過(guò)程中與之進(jìn)行的是電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，這個(gè)過(guò)程中陀螺器件本身的頻率點(diǎn)也不固定，會(huì)隨著能量轉(zhuǎn)換的變化而變化，直到能量?jī)?chǔ)蓄完成。因此，這個(gè)穩(wěn)定的過(guò)程需要一段時(shí)間。另外，陀螺沒(méi)有采用真空封裝，環(huán)境因素的影響也會(huì)增加其穩(wěn)定時(shí)間。

6　結(jié)　論

針對(duì)壓電式微固體模態(tài)陀螺工作頻率高，檢測(cè)信號(hào)微弱的特點(diǎn)，本文提出了一種基于FPGA的高精度(18位)高采樣頻率(4MSPS)數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)陀螺信號(hào)進(jìn)行了采集與數(shù)字信號(hào)處理，實(shí)時(shí)發(fā)送到上位機(jī)顯示。測(cè)試結(jié)果表明:諧振時(shí)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能穩(wěn)定，硬件電路工作良好，檢測(cè)系統(tǒng)可靠性高，AD采樣和FPGA處理均正確，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相一致，這為下一步檢測(cè)陀螺有外界角速度輸入下的變化提供了很好的軟硬件平臺(tái)。

[1]劉昶.微機(jī)電系統(tǒng)基礎(chǔ) [M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2013:1-11.

[2]Guo Zhanshe,Cheng Fucheng,Li Boyu,et al.Research development of silicon MEMS gyroscopes:A review[J].Microsystem Technologies,2015,21:2053-2066.

[3]Wu X S,Chen W Y,Lu Y P,et al.Vibration analysis of a piezo-electric micromachined modal gyroscope(PMMG)[J].Micromech Microeng,2009,19(12):125008.

[4]He Yongsong,Wu Xiaosheng,Zheng Fu,et al.Closed-loop driving and detect circuit of piezoelectric solid-state micro gyroscope[J].Microsystem Technologies,2014,20:185-191.

[5]He Yongsong,Wu Xiaosheng.Study on driving technology of piezoelectric solid-state micro gyroscope[J].Applied Mechanics and Materials,2013,278-280:817-820.

[6]Analog Devices Inc.AD7960Datasheet[EB/OL].[2013—08—13].http:∥www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD7960.pdf.

[7]程佩青.數(shù)字信號(hào)處理教程[M]. 3版.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2008:323-369.

[8]Xilinx Inc.Spartan—6 family overview[EB/OL].[2011—10—25].http:∥china.xilinx.com/support/documentation/data_sheets/ds160.pdf.

[9]Xilinx Inc.Spartan—6 FPGA configuration user Guide[EB/OL].[2014—10—29].http:∥china.xilinx.com/ support/ documentation/user_guides/ug380.pdf.

吳校生，通訊作者，E—mail:xswu@sjtu.edu.cn。

Design of digital detection circuit for piezoelectric gyroscope based on FPGA*

LI Guo-bin, WU Xiao-sheng

(National Key Laboratory of Science and Technology on Micro/Nano Fabrication Laboratory,Shanghai Key Laboratory of Navigation and Location-based Services，Department of Micro/Nano Electronics,School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240, China )

To meet requirement of signal acquisition and algorithm of piezoelectric micro solid modal gyroscope,design a digital detection system with high precision and high sampling frequency based on FPGA.The principle and realization approach are presented.The main control chip of FPGA uses XC6SLX25 and ADC adopts AD7960 chip(18-bit,5MSPS).It is verifred by test that the prototype can acquire three-path output signals of the gyroscope at the same time, and sends the processed data to upper PC for displaying.The measured resonant frequencies is stabilize around 349.89kHz,fluctuating range is 8 Hz.The mean square error of reference voltage Vpp is 0.004 V.The detection system is stable and has high precision.This digital detection circuit can be well applied for MEMS microgyroscope signal processing and enhances the stability and anti-jamming of microgyroscope.

piezoelectric gyroscope; FPGA; digital detection; FIR filtering; high precision; high sampling rate

10.13873/J.1000—9787(2016)09—0092—03

2015—11—25

教育部支撐項(xiàng)目(625010117)；上海市科委浦江人才計(jì)劃資助項(xiàng)目(14PJD022)

TN 911

A

1000—9787(2016)09—0092—03

李國(guó)斌(1990-)，男，安徽池人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)镸EMS傳感器。