基于ARM的微惯性姿态测量系统的硬件设计

论文摘要

本文结合国防某预研项目开展了微惯性姿态测量系统硬件部分的设计与研究工作。本文基于系统功能要求,提出了基于微电子系统、捷联惯导技术和嵌入式技术的姿态测量系统的总体技术方案,主要进行了系统硬件电路模块的设计,设计的系统具有体积小、价格低、功耗低、智能化的特点,具有重要的实际应用参考价值。本文首先阐述了微惯性姿态测量系统的相关基本理论及其工作原理。其次重点介绍了以ARM为内核的MCU芯片ADuC7025的主要功能、芯片资源和选型、陀螺仪和加速度计组成的MIMU微惯性测量单元的技术性能指标和选型。重点设计了系统的主要功能模块(如电源转换模块、信号调理电路模块、数据采集电路、通信传输电路模块、时钟和复位模块等)和实现方案,进行原理图的绘制。最后介绍了系统的实验数据预处理的方法,并对系统的硬件部分模块做了测试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景和国内外发展状况
• 1.1.1 课题研究背景
• 1.1.2 国内外发展状况
• 1.2 惯性技术的发展现状
• 1.3 MEMS 技术的发展现状及MEMS 器件的应用
• 1.3.1 MEMS 技术的发展现状
• 1.3.2 MEMS 惯性器件的应用领域
• 1.4 ARM 处理器的发展现状和应用领域
• 1.4.1 ARM 处理器的发展现状
• 1.4.2 ARM 处理器的应用领域
• 1.5 本课题主要的研究内容和工作安排
• 第2章 姿态测量系统的理论基础
• 2.1 捷联惯性导航技术
• 2.2 数据采集处理技术
• 2.2.1 数据采集系统的基本功能
• 2.2.2 数据采集系统结构
• 2.2.3 数据处理的任务
• 2.3 姿态算法理论
• 2.3.1 常用坐标系
• 2.3.2 导航坐标系与载体坐标系间的转换
• 2.3.3 比力方程表达式
• 2.3.4 四元素法
• 2.3.5 姿态矩阵计算方程
• 2.3.6 四元数微分方程的毕卡求解法
• 2.4 本章小结
• 第3章 姿态测量系统的总体设计方案
• 3.1 微惯性姿态测量系统的功能和性能指标
• 3.2 姿态测量系统硬件总体设计方案
• 3.2.1 总体方案的设计比较
• 3.2.2 总体设计方案
• 3.3 姿态测量系统的传感器选择
• 3.3.1 陀螺仪的选择
• 3.3.2 加速度计的选择
• 3.4 基于 ARM 处理器的嵌入式控制芯片 ADuC7025
• 3.4.1 Analog Devices ADuC7025 的主要特征
• 3.4.2 ADuC7025 应用领域和管脚介绍
• 3.4.3 ARM7TDMI 内核的介绍
• 3.5 本章小结
• 第4章 姿态测量系统硬件的电路模块设计
• 4.1 电源转换模块的设计
• 4.1.1 LM2596 芯片的介绍
• 4.1.2 电源转换电路模块电路图
• 4.2 信号调理电路模块的设计
• 4.2.1 信号放大电路
• 4.2.2 缓冲稳压电路的设计
• 4.2.3 滤波电路设计
• 4.3 数据采集电路模块
• 4.3.1 MCU 芯片ADC 模式
• 4.3.2 ADC 典型工作
• 4.3.3 ADC MMRS 接口
• 4.3.4 外部电路连接原理图
• 4.4 MCU 存储器电路模块的设计
• 4.4.1 存储器访问
• 4.4.2 Flash/EE 存储器和SRAM 存储器
• 4.4.3 存储器映射寄存器
• 4.5 通信传输电路模块的设计（1）
• 4.6 通信传输电路模块的设计（2）
• 4.6.1 ANVNC1L-01 转换芯片的总体介绍
• 4.6.2 ANVNC1L-01 转换芯片管脚介绍
• 4.6.3 ANVNC1L-01 转换芯片的原理图设计
• 4.7 复位和时钟电路的设计
• 4.8 调试模块电路的设计
• 4.9 印制电路板设计
• 4.9.1 PCB 的设计流程
• 4.9.2 PCB 的电源和地设计
• 4.9.3 PCB 的电磁兼容设计
• 4.9.4 PCB 的叠层设计
• 4.9.5 高速时钟电路的设计
• 4.9.6 电路板通孔和走线的设计
• 4.10 本章小结
• 第5章 实验数据的预处理
• 5.1 野值现象以及处理方法
• 5.2 常值漂移补偿
• 5.3 系统实验
• 第6章 总结与展望
• 附录1：电路原理图
• 附录2：PCB 设计图
• 参考文献
• 致谢