IMU信号采集系统

1、 IMU 信号采集系统IMUIMU 信号采集系统信号采集系统学习文档 仅供参考目目 录录1.概述概述.12.IMU 信号采集系统的主要功能信号采集系统的主要功能.12.1.高精度时间.12.2.陀螺仪、加速度计的数据采集.13.IMU 信号采集系统设计方案及原理信号采集系统设计方案及原理.13.1.整体方案.13.2.授时原理.23.3.陀螺仪和加速度计的输出信号调理电路.23.4.陀螺仪和加速度计输出信号的采集.34.传感器及核心元器件传感器及核心元器件.44.1.陀螺仪.44.2.加速度计.44.3.GPS.54.4.核心元器件.55.IMU 信号采集系统信号采集系统.65.1.机械设计.

2、65.2.电路设计.75.3.IMU 信号采集系统.8学习文档 仅供参考1. 概述概述传统的航空摄影测量需要布设大量地面控制点，效率低下。POS 系统集全球定位系统GPS 、惯性导航系统INS于一体，综合具备了 GPS 和 INS 的优点，即使在GPS 信号被遮挡的时候，其解算的结果也是稳定连续的。利用 POS 系统能得到精确的相机曝光时刻以及相片外方位元素，从而实现无地面控制点的航空摄影测量。目前国内较少自主研发 POS 系统，大多直接购置国外相关的产品，本钱高昂。IMU 信号采集系统以 ARM 和 FPGA 为核心，通过 GPS 和高稳晶体实现高精度的时间，同时通过高精度 AD 转换模块采

3、集 3 轴加速度计、3 轴陀螺仪的实时数据，最终输出带时间戳的高精度传感器数据，为 POS 系统的实现打下了坚实根底。2. IMU 信号采集系统的主要功能信号采集系统的主要功能2.1.2.1. 高精度时间高精度时间本系统结合 GPS、高稳石英晶体，以 FPGA 为核心，结合有效的算法，产生高精度的时间精度可达 。10uS2.2.2.2. 陀螺仪、加速度计的数据采集陀螺仪、加速度计的数据采集通过 FPGA 及 AD 转换模块采集陀螺仪三轴 、加速度计三轴等传感器的输出信号。并将陀螺仪、加速度计进行数字化、滤波，最终将带有时间戳和各传感器输出的数据按照设定的时间间隔快速地上传给上位机，进行进一步的

4、处理。3. IMU 信号采集系统设计方案及原理信号采集系统设计方案及原理3.1.3.1. 整体方案整体方案硬件局部整体方案如图 1 所示，整个硬件系统由 ARM，FPGA，三轴陀螺仪、三轴加速度计、GPS 等传感器单元，电源管理模块以及 Flash 和 SDRAM 以及单板电脑组成。FPGA 主要接收陀螺仪、加速度计经 AD 转换后的数字信号，编码器和 GPS 的信号，完成高精度时钟和传感器的输出数据采集。ARM 将 FPGA 采集到的数据信号存储，并接收 FPGA 输出的高精度时间脉冲，将传感器的信号打上高精度时间戳后通过USB 或者 UART 快速上传给单板电脑，由单板电脑进行卡尔曼滤波等

5、一系列处理后输出位置、时间及姿态信息。学习文档 仅供参考ARMFPGA三轴陀螺仪三轴加速度计GPSFlashSDRAM6路16位AD转换USB、UART高稳晶体Flash单板计算机图 1 系统硬件局部整体框图3.2.3.2. 授时原理授时原理高精度时间产生及校时的原理框图如图 2 所示，在 FPGA 内部由分频电路完成10uS 脉冲产生，时钟校准等功能，系统工作时，ARM 接收来自 GPS 输出的时间及定位数据，从中解析出当前卫星数和定位状态，当 PPS 有效时通过控制信号启动校时，使秒脉冲和毫秒脉冲复位，利用高稳晶振输出的高稳脉冲和无时间累计误差的 GPS 输出 PPS 脉冲，实现高精度校时

6、。ARM高稳晶振GPS高精度时间脉冲PPS数据10uS图 2 时间产生及校时的原理框图3.3.3.3. 陀螺仪和加速度计的输出信号调理电路陀螺仪和加速度计的输出信号调理电路AD 转换芯片选用 AD 公司的 AD7687，AD7687 是一款 16 位逐次逼近型模数转换器转换器，积分非线性度典型值为0.4 LSB，最大1.5 LSB，采样率可达 250 kSPS，为 SPI 接口输出，IO 引脚采用独立电源 VIO 时，该器件与 1.8V、2.5V、3V或 5V 逻辑兼容方便与后面的主控制 FPGA 芯片连接。学习文档 仅供参考R230k21V15VdcR410k21R159021R359021

7、V212Vdc000V312VdcR559021R659021R710k21R810k21000V4FREQ = 1kHzVAMPL = 2.5VVOFF = 0VAC =ACU5OP-27+3-2V+7V-4OUT6OS11OS28U6OP-27+3-2V+7V-4OUT6OS11OS28V55Vdc0VVVB图 3 陀螺仪和加速度计信号转换电路AD7687 的输入要求为幅度在 0V 以上相位相反的差分输入，因此陀螺仪和加速度计的输出信号需要经过调理电路转换成差分信号输出给 AD7687，陀螺仪的输出是差分信号电压信号，经运放转换成单端电压信号，加速度计的输出是电流信号，可以通过高精度电阻变

8、换成电压信号，这样陀螺仪和加速度计的信号统一成单端电压信号，再经过运放转换成 AD7687 所需的输入信号，电路原理图如图 3 所示。3.4.3.4. 陀螺仪和加速度计输出信号的采集陀螺仪和加速度计输出信号的采集陀螺仪和加速度计的输出经 16 位 AD 转换后，通过 6 路 SPI 接口输出给FPGA，FPGA 按照 SPI 接口时序读取采集到的数据，为能保证采集数据的精度。采样率取 20KHz，如图 4 所示。采集6路AD转换器SCKSDOCNV滤波NIOS II图 4 陀螺仪和加速度计信号采集学习文档 仅供参考4. 传感器及核心元器件传感器及核心元器件4.1.4.1. 陀螺仪陀螺仪本系统选

9、用 VG035P 光纤陀螺仪，该陀螺仪采用 5V 供电，功耗 1W，主要性能参数如下：1测量范围：60deg/S2比例系数：20mVdeg/S3偏差稳定性：1deg/h4带宽：450Hz图 5 VG035P 光纤陀螺仪4.2.4.2. 加速度计加速度计加速度计选用 JHT-1/A 石英加速度计，该加速度计精度高，电流输出，信号接口方便。可用于高精度静态角度测量系统和高精度惯导系统中，主要技术参数如下：1量程：20g2偏值：3mg3标度因子：1.1-1.5mA/g4偏值长期重复性：20ug5标度因子长期重复性：20ppm学习文档 仅供参考图 6 JHT-1/A 石英加速度计4.3.4.3. GP

10、SGPS选用 NovAtel 的 OEMV-3 型 GPS 接收板，NovAtel 的 OEMV-3 是一款三频 72 通道的板卡，能够支持 L2C、和未来的 GPS L5 频率。单点定位精度 1.8m，授时精度20nS，数据更新率可达 50Hz，通过 40pin 排针与外接电路相连，并提供了多个串口、USB 接口、CAN 接口、EVENT 引脚，方便后续的扩展应用。图 7 OEMV-3 型 GPS 接收板4.4.4.4. 核心元器件核心元器件1ARMARM 选用三星公司的 S3C6410，该芯片是基于 ARM11 的构架，运行频率最高可达 667MHz。学习文档 仅供参考图 8 ARM 芯片

11、2FPGAFPGA 选用 EP3C40Q240C8，EP3C40Q240C8 是 Altera 公司 Cyclone系列中的一款 FPGA 芯片，它前所未有地同时实现了低功耗、低本钱和高性能。其中CycloneFPGA 在布局上提供丰富的存储器和乘法器资源，并且所有体系结构都含有非常高效的互联。价格大约 240 元每片。图 9 EP3C40Q240C8 芯片3ADAD 转换芯片选用 AD 公司的 AD7687，AD7687 是一款 16 位逐次逼近型模数转换器转换器，积分非线性度典型值为0.4 LSB，最大1.5 LSB，采样率可达 250 kSPS，为 SPI 接口输出，IO 引脚采用独立电

12、源 VIO 时，该器件与 1.8V、2.5V、3V或 5V 逻辑兼容方便与后面的主控制 FPGA 芯片连接，价格约 150 元每片。图 10 AD7687 芯片学习文档 仅供参考5. IMU 信号采集系统信号采集系统5.1.5.1. 机械设计机械设计三轴陀螺仪和三轴加速度计分别由三个独立的陀螺仪和加速度计按照 XYZ 三轴组装而成，安装时设计好相关的机械支架，在 XYZ 三个方向上固定好传感器，整个支架要有一定的刚性，同时考虑安装方便和采取减震措施。图 11 陀螺仪和加速度计安装机械图设计上保证陀螺仪和加速度计严格共轴，同时采用刚性连接，整个安装机械图如图 11 所示。5.2.5.2. 电路设

13、计电路设计为保证采集的精度，电路板采用多层板设计。PCB 设计时要考虑接插件的位置，元器件的合理布局，差分线等长线的处理，PCB 设计过程中考虑以下原那么：1信号流向与先大后小原那么根据信号流向布局元件，输入单元放在电路板的左边，输出单元放在电路板的右边，以核心元件为中心进行布局，先放置接插件和体积较大的元件，后放置体积较小的元件。2抗干扰原那么为提高电路的性能，数字地和模拟地分开布局，一点接地，从而防止数字局部对模拟局部产生干扰。3电容布局原那么学习文档 仅供参考去耦电容尽可能靠近元件的电源引脚，以减小电容引线的长度，到达更好的去耦效果，并保证电源先经过去耦电容后后进入元件。4均衡原那么整个电路板元件布局均匀。图 12 主板 PCB 图PCB 图如图 12 所示，左上方是加速度计和陀螺仪的信号输入局部，主要是信号的调理电路和 AD 转换，也是系统的模拟局部，中间靠右是 FPGA 模块，负责系统的授时和 AD 转换后的数字信号采集，左下方是 ARM 核心板，通过插座连接到主板，OEMV3 型 GPS 通过 40pin 双排排针连接到主板，整个 PCB 布局合理美观。5.3.5.3