基于PSoC的陀螺仪数据采集系统设计与实现

韩 颖

〈系统与设计〉

基于PSoC的陀螺仪数据采集系统设计与实现

韩 颖

（中国空空导弹研究院 计量中心，河南 洛阳 471000）

本文介绍了在红外成像导引系统中应用PSoC开发板对MEMS（Micro Electro Mechanical System）陀螺仪数据进行采集的设计与实现。以PSoC 5为控制核心，提出了一种系统质量高、成本低、功耗低、同时还能满足设计要求的设计方案。详细介绍了PSoC 5硬件与软件的实现过程，并设计静态与动态实验进行数据分析，证明该数据采集系统拥有较高的测量精度。

PSoC；MEMS陀螺仪；数据采集

0 引言

在红外成像系统中为了消除导弹快速飞行过程中受到的振动等造成的视频信号不稳定，必须要对视频信号进行稳像处理[1]，通常采用现场可编程门阵列FPGA或在系统可编程模拟电路ispPAC完成视频信号的采集。在本设计中，将新兴的可编程片上系统PSoC运用在稳像系统中，对ADXRS622型单轴MEMS陀螺仪的轴角速度输出信号进行采集，通过基于串口通讯的上位机测控软件对采集到的陀螺仪数据进行接受、保存，并用Matlab程序进行Allan方差分析，确定该方案切实可行。这一设计，集微控制器、可编程数字阵列和可编程模拟阵列为一体，特别适合于要求精密且体积小巧的应用[2-3]，这就为未来减小稳像系统体积奠定了基础。

1 数据采集系统设计

基于PSoC（Programmable System on Chip）的陀螺仪数据采集系统结构设计如图1。通过设计数据采集模块将稳像系统中陀螺仪输出的模拟信号采集出来，并转换为数字信号发送给PSoC开发板后，通过串口与PC机连接，在PC机上完成对采集到的陀螺仪数据的后续处理。PSoC核心部分包含PSoC的硬件设计与软件设计，主要负责陀螺仪数据的采集、存储以及通信。

2 PSoC开发工具

CY8CKIT-001 PSoC®开发工具包中包含PSoC5、PSoC3、PSoC1三个系列。

在本设计中选用市场发展潜力更大的[4]PSoC5模块板实现数据采集系统的时序控制和通讯控制[5-6]。PSoC 5性能参数如表1所示。

图1 PSoC陀螺仪数据采集系统结构

开发包中包含的PSoC Creator集成开发环境支持C语言，且PSoC C语言基本上是标准的ANSI C，在PSoC Designer中编译器也具有很高的编译效率。因此，在本次编译过程中采用C语言进行PSoC 5的嵌入式程序的开发。

3 PSoC平台硬件设计

根据系统需要，在PSoC Creator软件中使用原理图设计工具完成了PSoC 5的硬件设计，主要包括定时器、串行通讯控制器和A/D并行数字接口等3种功能模块。

3.1 工程创建及处理器选型

设计工程名称为：HY_UART；器件架构为：Empty PSoC5LP design；具体器件型号为：CY8C5868AXI- LP035。

3.2 系统时钟设计

根据开发工具包的时钟资源和应用系统的要求将时钟设计为33MHz。

3.3 定时器模块

定时器模块用于提供1ms定时周期，控制A/D转换器按照1kHz的采样频率进行模数转=换。因此，设计输入时钟频率100kHz，定时周期1ms，8bit减法计数器，连续运行，以TC信号为中断源。

3.4 UART模块

UART模块用于串行通讯控制。设计波特率115200，1位起始位，1位停止位，1位偶校验，8位数据位，只使用接收中断。

3.5 并行数字接口

并行数字接口用于16位六通道同步采样芯片AD7656的并行输出数据接口及时序控制，在PSoC Creator中，并没有提供标准的并行数字接口模块。经过研究设计使用EMIF接口作为并行接口的主体，并配置1个控制寄存器和1个状态寄存器作为控制信号和状态信号用来实现并行数字接口。

EMIF接口电路硬件设计参数为：24位地址，16位数据，异步时序；控制寄存器电路硬件设计参数为：1位数据位，直接控制；状态寄存器电路硬件设计参数为：1位数据位，时钟频率33MHz。

3.6 器件管脚分配设计

最后，根据CY8CKIT-001 PSoC®开发工具包的管脚资源和系统需要完成了系统的管脚配置，具体如图2所示。

4 PSoC系统软件设计

PSoC硬件设计完成后，需要根据应用系统的功能要求，手动添加与应用目的有关的程序代码。

4.1 程序主框架

完成PSoC的硬件设计后，运行“Build”菜单，会自动生成最终的程序主框架，其中的“Generated_Source”文件夹是开发软件根据硬件设计自动生成的代码文件夹，包含了相关硬件的所有可用的API源代码。

后续的代码开发工作主要包含2个部门的内容：完善main()函数；重载需要变更的API函数。

4.2 Main() 函数

在Main.c文件中，首先进行常量和变量定义，然后进行函数定义和重载，接着进行自定义函数的代码编制，最后进行main()函数代码的编制。

表1 PSoC 5性能参数

图2 器件管脚分配

4.3 AD7656_read()函数

AD7656_read()函数用于控制AD7656的并行数据接口的读取时序，使用全局变量AD_data进行参数传递，因此没有设计返回值。

4.4 RS422_TX()函数

RS422_TX()函数用于UART发送控制，其通讯协议是根据上位机串口数据接收软件的协议指定的。

4.5 编译、链接结果

在编译完成后，可通过串口程序与PC机相连，进行后续的数据处理等。

5 上位机串口数据接受程序

完成串口数据接收，并保存采集到的陀螺仪数据，以“raw”格式进行保存，便于Matlab程序调用，用于后续的数据处理算法研究和试验验证。

5.1 静态实验

在温箱中模拟25℃的室温条件，以1kHz频率对ADXRS622型MEMS陀螺进行静态数据采集，敏感轴指向Z轴方向，陀螺标度因数为7.0mV/°/s，并假设其不变。由于受上位机程序通讯协议的限制，其接收并保存的频率为500Hz，因此实际的采样频率为500Hz，每2ms保存一个数据。

采集1组数据，采样时间1min。用Matlab编写Allan方差计算函数，画出原始数据及Allan方差如图3，并列出Allan方差系数计算结果如表2。

根据Allan方差计算结果可知，对于MEMS陀螺仪，其零偏不稳定性、速率随机游走和速率斜坡是主要的噪声源。陀螺仪量化噪声和角速度随机游走相对较小，说明数据采集系统精度较高，驱动性能较稳定。零偏不稳定性较高则是由数据中的低频零偏波动所引起的，主要为电子器件温漂、电路噪声以及环境噪声等。速率随机游走来源不确定，当前的研究认为其可能是具有长相关时间的指数噪声的极限情况，也可能源于晶体振荡器的老化效应。速率斜坡本质上是一种确定性误差，可能与稳压源，外界环境温度的变化以及陀螺本身的精度有关。

表2 Allan方差系数计算结果

5.2 动态达位实验

受实验装置影响，仅在＋40°～－40°的角度范围内对陀螺仪进行动态达位试验，利用PSoC开发板和上位机程序采集角速度为10°/s，20°/s，30°/s，40°/s时的数据，并记录如表3所示。

表3 各角速度下平稳时的均值

Table 3 Mean when smooth at each angle speed

根据以上数据可知，转台角速度升高，陀螺仪达到稳定时的角速度均值会逐渐偏离理论值。但整体来说，陀螺仪输出的角速度较为贴近真实值，精度较高。

6 总结

本文设计的PSoC的陀螺仪数据采集系统方法简单，易于实现。运用PSoC5内部的定时器、串行通讯控制器和A/D并行数字接口等功能模块完成电路设计，节省设计时间、减少板卡空间、降低功耗，同时还能提高系统质量、降低系统成本，特别适合于要求精密且体积小巧的应用，为减小稳像系统体积奠定了基础。本文选用的ADXRS622型MEMS陀螺仪属于商业级陀螺仪，并不是目前性能最好的MEMS陀螺仪。预计未来突破元器件与技术封锁后，可以将PSoC与更高精度的MEMS陀螺仪相结合，设计出更加符合精致制导武器发展需求的稳像系统。

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Design and Implementation of a Data Acquisition System for Gyroscopes Based on PSoC

HAN Ying

(China Airborne Missile Academy Metrology and Testing Center,Luoyang 471000,China)

This paper introduces a data acquisition system for a MEMS gyroscope using a PSoC development board, for use in infrared imaging guidance systems. Using a PSoC 5 as the control core, we proposed a design scheme with high quality, low cost, low power consumption, which satisfied the design requirements. We performed a detailed investigation regarding the realization process of the hardware and software of the PSoC 5. Static and dynamic experiments were designed for data analysis. It is shown that the data acquisition system has high measurement accuracy.

PSoC, MEMS gyroscope, data acquisition

TP274

A

1001-8891(2020)09-0905-04

2019-08-18；

2020-07-05.

韩颖（1988-），女，浙江温州人，汉族，硕士研究生，主要从事光学计量专业。E-mail: hyloveconan@163.com。