基于DSP的MEMS陀螺信号采集与处理系统设计

论文摘要

近年来,MEMS(微机电系统)技术的微惯性传感器的研究与发展受到了广泛的重视。微硅陀螺具有体积小、重量轻、可靠性高、易于系统集成等优点,所以它在汽车工业、航空航天以及机器人等领域具有广阔的应用价值和前景。目前MEMS陀螺的精度还不是很高,除改进设计和制造方法提高其精度外,对MEMS陀螺信号进行采集和处理提高其精度也是有效的技术途径。而且研究表明,随机噪声是影响MEMS陀螺精度的重要因素。因此,为了降低MEMS陀螺的噪声,提高其精度,设计了采用TI公司数字信号处理器TMS320F2812的MEMS陀螺信号实时采集与处理系统。有效实现了陀螺信号随机误差部分降噪功能。首先对所设计的系统中的陀螺信号进行了分析研究,介绍了随机漂移的几种辨识方法。在对试验实测数据进行必要的预处理后,采用时间序列分析法对陀螺随机漂移信号进行ARMA建模,并选择了合适的模型类型和阶次,检验了模型适用性。随后根据ARMA模型参数,建立了状态方程和观测方程,进行了卡尔曼滤波,滤波效果明显。然后给出了该装置总体软硬件实现方案。硬件方面介绍了TMS320F2812的主要特点,并以该DSP为核心芯片,分析和设计了数据采集处理系统的外围接口电路;软件方面,阐述了利用TI公司的DSP集成开发环境CCS开发系统软件的具体方案,将采集处理按照功能划分为三个任务部分,并给出设计流程,采用C语言与汇编语言混合编程,使这些任务按照指定的优先级运行,提高了系统的工作效率。经过系统调试,实现了对陀螺信号的采样、转换与传输,并得出信号处理仿真效果,具有一定的工程应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 相关技术国内外研究现状
• 1.2.1 MEMS惯性陀螺的发展现状
• 1.2.2 数据采集与处理系统发展现状
• 1.2.3 陀螺仪信号处理技术
• 1.3 本论文的工作
• 第2章 MEMS陀螺及其信号采集与处理系统方案
• 2.1 MEMS陀螺仪
• 2.1.1 MEMS陀螺特点
• 2.1.2 MEMS陀螺的工作原理
• 2.1.3 MEMS陀螺信号特点
• 2.2 陀螺信号采集与处理系统的总体方案
• 2.2.1 陀螺信号采集与处理系统实现的可行性
• 2.2.2 陀螺信号采集与处理系统硬件设计方案
• 2.2.3 陀螺信号采集与处理系统软件设计方案
• 2.3 本章小结
• 第3章 MEMS陀螺信号处理
• 3.1 建立陀螺随机漂移模型的原理和步骤
• 3.1.1 陀螺漂移平稳随机过程的统计描述
• 3.1.2 陀螺随机漂移的统计检验
• 3.2 陀螺漂移模型的建立
• 3.2.1 陀螺信号的预处理
• 3.2.2 平稳随机时间序列线形模型的结构形式
• 3.2.3 漂移模型的选取
• 3.2.4 漂移模型的定阶
• 3.3 陀螺随机漂移的卡尔曼滤波
• 3.3.1 离散卡尔曼滤波的基本方程
• 3.3.2 MEMS陀螺漂移数据的采集和预处理
• 3.3.3 MEMS陀螺随机漂移建模
• 3.3.4 MEMS陀螺随机漂移的卡尔曼滤波
• 3.4 本章小结
• 第4章 采集与处理系统硬件电路设计
• 4.1 器件的选择
• 4.1.1 DSP的选择
• 4.1.2 TMS320F2812特点简介
• 4.2 前项信号调理电路设计
• 4.3 片载AD应用设计
• 4.3.1 片上AD功能介绍
• 4.3.2 误差定义
• 4.3.3 影响分析
• 4.3.4 校正方法
• 4.3.5 实验结果
• 4.3.6 片上AD接口应用
• 4.4 DSP2812相关电路设计
• 4.4.1 时钟电路
• 4.4.2 电源与复位电路
• 4.4.3 外扩SRAM电路
• 4.4.4 串行通信接口电路
• 4.4.5 D/A接口设计
• 4.4.6 仿真接口电路
• 4.5 本章小结
• 第5章 采集与处理系统软件设计
• 5.1 软件设计概述
• 5.1.1 程序开发环境CCS介绍
• 5.1.2 DSP主控制系统软件设计
• 5.1.3 系统初始化程序设计
• 5.2 A/D程序设计与AD采集调试
• 5.3 串口传输程序设计与调试
• 5.4 TMS320F2812用户程序启动引导实现
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢