電子陀螺儀原理與構(gòu)造

1、MEMS陀螺儀傳感器產(chǎn)業(yè)探究目錄：一、MEMS陀螺儀市場(chǎng)現(xiàn)狀2第一節(jié)、MEMS主要廠家產(chǎn)品資料匯總2第二節(jié)、MEMS在我國(guó)的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀2二、MEMS陀螺儀介紹3第一節(jié)、什么是微機(jī)械(MEMS) ? 3第二節(jié)、微機(jī)械陀螺儀(MEMS gyroscope)的工作原理3第三節(jié)、微機(jī)械陀螺儀的結(jié)構(gòu)4三、MEMS技術(shù)的加工工藝6第一節(jié)、體加工工藝6第二節(jié)、硅表面微機(jī)械加工技術(shù)7第三節(jié)、結(jié)合技術(shù)7第四節(jié)、逐次加工8第五節(jié)、LIGA工藝8第六節(jié)、THEMLA工藝流程9四、基于DSP的MEMS陀螺儀信號(hào)處理平臺(tái)設(shè)計(jì)9第一節(jié)、MEMS陀螺儀信號(hào)處理平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)9第二節(jié)、MEMS陀螺儀信號(hào)處理平臺(tái)系統(tǒng)任務(wù)分析10

2、第三節(jié)、MEMS信號(hào)處理平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)方案11五、基于GPS的汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)12第一節(jié)、主體控制方案12第二節(jié)、GPS定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)13第三節(jié)、車體部分MCU主控模塊設(shè)計(jì)14第四節(jié)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)14一、MEMS陀螺儀市場(chǎng)現(xiàn)狀MEHS陀螺儀即微機(jī)電系統(tǒng)陀螺儀，是一種微型傳感器，主要用于手機(jī)及游戲機(jī)等領(lǐng)域。 與普通芯片相比，除訃算功能外，此產(chǎn)品還具有感知功能，通過(guò)內(nèi)置的陀螺儀傳感器可以 感知外界運(yùn)動(dòng)，并做出相應(yīng)反應(yīng)。在具體應(yīng)用上，MEMS芯片可以用在消費(fèi)類電子產(chǎn)品上，比如游戲機(jī)中的動(dòng)作控制；可 以用在汽車安全領(lǐng)域，在汽車出現(xiàn)緊急情況時(shí)及時(shí)作出反應(yīng)；在軍事、航海中，陀螺儀被用 來(lái)導(dǎo)航。此前全球

3、針對(duì)消費(fèi)電子產(chǎn)品的陀螺儀廠商只有意法半導(dǎo)體(ST)、飛思卡爾半導(dǎo)體 (Freescale)兩家，深迪半導(dǎo)體()成為第三家，打破了國(guó)內(nèi)眾多消費(fèi)電子廠商陀螺儀全 部依賴進(jìn)口的局而。深迪半導(dǎo)體成立于2008年8月，目前在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。根據(jù)著名市場(chǎng)研究顧問(wèn)機(jī)構(gòu)Yole Development的最新預(yù)測(cè)，MEMS陀螺儀、加速度計(jì) 和IMU的銷售額在2013年將達(dá)到45億美元的規(guī)模，在消費(fèi)類應(yīng)用市場(chǎng)的年增長(zhǎng)率達(dá)到了 27%,而中國(guó)未來(lái)將是消費(fèi)類電子、汽車工業(yè)以及英產(chǎn)業(yè)鏈的中心和全球最大的市場(chǎng)。第一節(jié)、MEMS主要廠家產(chǎn)品資料匯總(1) InvenSense：網(wǎng)上放出的目前只有2軸的產(chǎn)品，加速度和陀螺

4、儀一體化，號(hào)稱封裝尺寸最小。2009年，借助任天堂(日本最著劃的游戲制作公司)的成功，InvenSense在MEMS市場(chǎng) 成長(zhǎng)速度位居第一。(2) ST：ST的產(chǎn)品線比較長(zhǎng)，主打3軸。陀螺儀L3G系列和加速度傳感器LIS屬于兩個(gè)不同的 系列。(3) EPSON：x, y2軸加速度傳感器加單軸陀螺儀。(4) 飛思卡爾：分的很細(xì)，根據(jù)加速度分成低/中/高三類，典型應(yīng)用案例是汽車氣麥。沒(méi)有找到陀螺儀 的介紹。應(yīng)該是以工業(yè)產(chǎn)品為主。(5) 村田(Mur at a)網(wǎng)上資料很少，最新的也是2009年5月的。提供2款產(chǎn)品，都是單軸陀螺儀。(6) 松下作為2009年MEMS市場(chǎng)的成長(zhǎng)速度名列第二的松下，主要

5、而向車用傳感器市場(chǎng)。第二節(jié)、MEMS在我國(guó)的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀目前國(guó)內(nèi)已有1688家企事業(yè)從事傳感器的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用，英中從事MEMS研制生 產(chǎn)的只有50多家，英規(guī)模和應(yīng)用領(lǐng)域都較小。在國(guó)際市場(chǎng)上，徳國(guó)、日本、美國(guó)、俄羅斯 等老牌工業(yè)國(guó)家的企業(yè)主導(dǎo)了傳感器市場(chǎng)，許多廠家的生產(chǎn)都實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；?，有些企業(yè)的年 生產(chǎn)能力達(dá)到幾千萬(wàn)只甚至幾億只。相比之下，中國(guó)傳感器的應(yīng)用范I丙較窄，更多的應(yīng)用仍 然停留在工業(yè)測(cè)疑與控制等基礎(chǔ)應(yīng)用領(lǐng)域。深迪半導(dǎo)體，發(fā)布了旗下第一款陀螺儀產(chǎn)品- SSZ030CG,這標(biāo)志著第一款具有中國(guó) 自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的商用MEMS陀螺儀誕生。二、MEMS陀螺儀介紹第一節(jié)、什么是微機(jī)械(MEMS) ?

6、微機(jī)械HEMS是英文Micro Electro Mechanical systems的縮寫(xiě)，即微電子機(jī)械系統(tǒng)。 微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)是建立在微米/納米技術(shù)(micro/nanotechnology)基礎(chǔ)上的21 世紀(jì)前沿技術(shù)，是指對(duì)微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造、測(cè)量和控制的技術(shù)。它可將 機(jī)械構(gòu)件、光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)部件、電控系統(tǒng)集成為一個(gè)整體單元的微型系統(tǒng)。這種微電子機(jī) 械系統(tǒng)不僅能夠采集、處理與發(fā)送信息或指令，還能夠按照所獲取的信息自主地或根據(jù)外部 的指令采取行動(dòng)。它用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)(包括硅體微加工、硅表而微加工、LIGA和 晶片鍵合等技術(shù))相結(jié)合的制造工藝，制造出各種性

7、能優(yōu)異、價(jià)格低廉、微型化的傳感器、 執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)器和微系統(tǒng)。微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEHS)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型多學(xué)科交 叉的技術(shù)，該技術(shù)將對(duì)未來(lái)人類生活產(chǎn)生革命性的影響。它涉及機(jī)械、電子、化學(xué)、物理、 光學(xué)、生物、材料等多學(xué)科。第二節(jié)、微機(jī)械陀螺儀(MEMS gyroscope)的工作原理傳統(tǒng)的陀螺儀主要是利用角動(dòng)疑守恒原理，因此它主要是一個(gè)不停轉(zhuǎn)動(dòng)的物體，它的 轉(zhuǎn)軸指向不隨承載它的支架的旋轉(zhuǎn)而變化。但是微機(jī)械陀螺儀的工作原理不是這樣的，因?yàn)橐梦C(jī)械技術(shù)在硅片襯底上加工岀 一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)可不是一件容易的事。微機(jī)械陀螺儀利用科里奧利力一一旋轉(zhuǎn)物體在有徑 向運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的切向力。下而是導(dǎo)出科

8、里奧利力的方法。有力學(xué)知識(shí)的讀者應(yīng)該不難理解。在空間設(shè)立動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系。用以下方程計(jì)算加速度可以得到三項(xiàng)，分別來(lái)自徑向加速、八:s如=一2叮/方公式推導(dǎo)如果物體在圓盤(pán)上沒(méi)有徑向運(yùn)動(dòng)，科里奧利力就不會(huì)產(chǎn)生。因此，在MEMS陀螺儀的設(shè) 計(jì)上，這個(gè)物體被驅(qū)動(dòng)，不停地來(lái)回做徑向運(yùn)動(dòng)或者震蕩，與此對(duì)應(yīng)的科里奧利力就是不停 地在橫向來(lái)回變化，并有可能使物體在橫向作微小震蕩，相位正好與驅(qū)動(dòng)力差90度。MEMS 陀螺儀通常有兩個(gè)方向的可移動(dòng)電容板。徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作徑向運(yùn)動(dòng)（有 點(diǎn)象加速度計(jì)中的自測(cè)試模式），橫向的電容板測(cè)疑由于橫向科里奧利運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的電容變化 （就象加速度計(jì)測(cè)疑加速度）。因?yàn)榭评飱W利

9、力正比于角速度，所以由電容的變化可以計(jì)算 出角速度。BOSCH SMG 070 原理圖2軸MEMS陀螺儀。它采用了閉合回路、數(shù)字輸出和傳感器芯片跟ASIC芯片分開(kāi)平放連 線的封裝方法。第三節(jié)、微機(jī)械陀螺儀的結(jié)構(gòu)微機(jī)械陀螺儀的設(shè)計(jì)和工作原理可能各種各樣，但是公開(kāi)的微機(jī)械陀螺儀均采用振動(dòng)物 體傳感角速度的概念。利用振動(dòng)來(lái)誘導(dǎo)和探測(cè)科里奧利力而設(shè)訃的微機(jī)械陀螺儀沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部 件、不需要軸承，已被證明可以用微機(jī)械加工技術(shù)大批疑生產(chǎn)。direction為機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)示意圖絕大多數(shù)微機(jī)械陀螺儀依賴于由相互正交的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)引起的交變科里奧利力。振動(dòng)物 體被柔軟的彈性結(jié)構(gòu)懸掛在基底之上。整體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)是二維彈性

10、阻尼系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中 振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)誘導(dǎo)的科里奧利力把正比于角速度的能量轉(zhuǎn)移到傳感模式。通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)和靜電調(diào)試使得驅(qū)動(dòng)和傳感的共振頻率一致，以實(shí)現(xiàn)最大可能的能量轉(zhuǎn) 移，從而獲得最大靈敏度。大多數(shù)微機(jī)械陀螺儀驅(qū)動(dòng)和傳感模式完全匹配或接近匹配，它對(duì) 系統(tǒng)的振動(dòng)參數(shù)變化極其敏感1驅(qū)動(dòng)和感應(yīng)的頻寬,而這些系統(tǒng)參數(shù)會(huì)改變振動(dòng)的固有頻率，因此需要一個(gè)好的控制架構(gòu)來(lái)做修正。如果需要 高的品質(zhì)因子（Q）,驅(qū)動(dòng)和感應(yīng)的頻寬必須很窄。增加1%的頻寬可能降低20%的信號(hào)輸出。 （上圖a）還有阻尼大小也會(huì)影響信號(hào)輸出。（上圖b）一般的微機(jī)械陀螺儀由梳子結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部分和電容板形狀的傳感部分組成。有的設(shè)計(jì)還 帶有去驅(qū)動(dòng)和傳

11、感耦合的結(jié)構(gòu)。梳子結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部分傳感耦介的結(jié)構(gòu)三、MEMS技術(shù)的加工工藝微機(jī)械加工工藝分為硅基加工和非硅基加工。下而主要介紹體加工工藝、硅表面微 機(jī)械加工技術(shù)、結(jié)合加工、逐次加工。下圖是微機(jī)械加工工藝的流程落圖。MEMS與IC兼容工龍簡(jiǎn)圖第一節(jié)、體加工工藝體加工工藝包括去加工（腐蝕）、附著加工（鍍膜）、改質(zhì)加工（摻雜）和結(jié)合加工 （鍵合）。主要介紹腐蝕技術(shù)。腐蝕技術(shù)主要包括干法腐蝕和濕法腐蝕，也可分為各向同性腐蝕和各向異性腐蝕。（1）干法腐蝕是氣體利用反應(yīng)性氣體或離子流進(jìn)行的腐蝕。干法腐蝕可以腐蝕多種 金屬，也可以刻蝕許多非金屬材料：既可以各向同性刻蝕，又可以各向異性刻蝕，是集成電 路工藝或M

12、EMS工藝常用設(shè)備。按刻蝕原理分，可分為等離子體刻蝕（PE： Plasma Etching）. 反應(yīng)離子刻蝕（RIE： Reaction Ion Etching）和電感耦合等離子體刻蝕（ICP： Induction Couple Plasma Etching）在等離子氣體中，可是實(shí)現(xiàn)各向同性的等離子腐蝕。通過(guò)離子流 腐蝕，可以實(shí)現(xiàn)方向性腐蝕。（2）濕法腐蝕是將與腐蝕的硅片豊入具有確左化學(xué)成分和固左溫度的腐蝕液體里進(jìn) 行的腐蝕。硅的各向同性腐蝕是在硅的各個(gè)腐蝕方向上的腐蝕速度相等。比如化學(xué)拋光等等。 常用的腐蝕液是HF-HN03腐蝕系統(tǒng)，一般在HF和HN03中加H20或者CH3COOH。與H20

13、相比, CH3COOH可以在更廣泛的范囤內(nèi)稀釋而保持HN03的氧化能力，因此腐蝕液的氧化能力在使 用期內(nèi)相當(dāng)穩(wěn)定。硅的各向異性腐蝕，是指對(duì)硅的不同晶而具有不同的腐蝕速率。比如， 100/111面的腐蝕速率比為100： 1?；谶@種腐蝕特性，可在硅襯底上加工出各種樣 的微結(jié)構(gòu)。各向異性腐蝕劑一般分為兩類，一類是有機(jī)腐蝕劑，包括EPW （乙二胺，鄰苯二 酸和水）和聯(lián)胺等。另一類是無(wú)機(jī)腐蝕劑,包括堿性腐蝕液,如：KOH, NaOH, LiOH, CsOH 和NH4OH等。在硅的微結(jié)構(gòu)的腐蝕中，不僅可以利用各向異性腐蝕技術(shù)控制理想的幾何形狀，而 且還可以采用自停I匕技術(shù)來(lái)控制腐蝕的深度。比如陽(yáng)極自停止

14、腐蝕、PN結(jié)自停止腐蝕、異 質(zhì)自停止腐蝕、重?fù)诫s自停止腐蝕、無(wú)電極自停止腐蝕還有利用光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)自停止腐蝕等 等。第二節(jié)、硅表面微機(jī)械加工技術(shù)美國(guó)加州大學(xué)Berkeley分校的Sensor and Actuator小組首先完成了三層多晶硅表 而微機(jī)械加工工藝，確立了硅表面微加工工藝的體系。表而微機(jī)械加工是把MEMS的“機(jī)械”（運(yùn)動(dòng)或傳感）部分制作在沉積于硅晶體的表 而膜（如多晶硅、氮化硅等）上，然后使其局部與硅體部分分離，呈現(xiàn)可運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。分離 主要依靠犧牲層（Sacrifice Layer）技術(shù)，即在硅襯底上先沉積上一層最后要被腐蝕（犧 牲）掉的膜（如Si02可用HF腐蝕），再在苴上淀積制造

15、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的膜，然后用光刻技術(shù)制 造出機(jī)構(gòu)圖形和腐蝕下面膜的通道，待一切完成后就可以進(jìn)行犧牲層腐蝕而使微機(jī)構(gòu)自由釋 放出來(lái)。硅表而微機(jī)械加工技術(shù)包括制膜工藝和薄膜腐蝕工藝。制膜工藝包括濕法制膜和干 式制膜。濕法制膜包括電鍍（LIGA工藝）、澆鑄法和旋轉(zhuǎn)涂層法、陽(yáng)極氧化工藝。其中LIGA 工藝是利用光制造工藝制作高寬比結(jié)構(gòu)的方法，它利用同步輻射源發(fā)出的X射線照射到一種 特殊的PMMA感光膠上獲得髙寬比的鑄型，然后通過(guò)電鍍或化學(xué)鍍的方法得到所要的金屬結(jié) 構(gòu)。T式制膜主要包括 CVD （ Chemical Vapor Deposition ）和 PVD （ Physical Vapor Deposit

16、ion）.薄膜腐蝕工藝主要是采用濕法腐蝕，所以要選擇合適的腐蝕液。第三節(jié)、結(jié)合技術(shù)微加工工藝中有時(shí)需要將兩塊微加工后的基片粘結(jié)起來(lái)，可以獲得復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，實(shí) 現(xiàn)更多的功能。將基片結(jié)合起來(lái)的辦法有焊接、融接、圧接（固相結(jié)合）、粘接、陽(yáng)極鍵合、 硅直接鍵合、擴(kuò)散鍵合等方法。第四節(jié)、逐次加工逐次加工是同時(shí)加工工藝的補(bǔ)充，常用于模具等復(fù)雜形狀的加工，英優(yōu)點(diǎn)是容易制 作自由形狀，可對(duì)非平而加工，缺點(diǎn)是加工時(shí)間很長(zhǎng)，屬單件生產(chǎn)，成本髙。包括以下幾種:逐次除去加工：如用于硅片切割的砂輪加工：細(xì)微放電加工、激光束加工、離子束 加工、STM （掃描隧道顯微鏡）加工。逐次附著加工：如利用離子?xùn)cCVD技術(shù)，可使僅被照

17、射部分的材料堆積，形成某種 結(jié)構(gòu)。逐次改質(zhì)加工：比如可以利用電子束或激光照射的辦法使基板表而局部改質(zhì)的技術(shù), 它的應(yīng)用有電子束掩膜制作、非平面光刻、局部摻雜等。逐次結(jié)合加工：比如IC引線焊接、局部粘結(jié)等。第五節(jié)、LIGA工藝皿也玉盞二:；Rru-匠O: X.L.LJs滬TBrHrrB；LIGA工藝是一種基于X射線光刻技術(shù)的MEMS加工技術(shù)（工藝流程如圖所示），主要包 括X光深度同步輻射光刻，電鑄制模和注模復(fù)制三個(gè)工藝步驟。由于X射線有非常髙的平行 度、極強(qiáng)的輻射強(qiáng)度、連續(xù)的光譜，使LIGA技術(shù)能夠制造出髙寬比達(dá)到500、厚度大于1500 Um、結(jié)構(gòu)側(cè)壁光滑且平行度偏差在亞微米范用內(nèi)的三維立體結(jié)

18、構(gòu)。這是其它微制造技術(shù)所 無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。LIGA技術(shù)被視為微納米制造技術(shù)中最有生命力、最有前途的加工技術(shù)。利用 LIGA技術(shù)，不僅可制造微納尺度結(jié)構(gòu)，而且還能加工尺度為亳米級(jí)的Meso結(jié)構(gòu)。目前，國(guó)內(nèi)新興發(fā)展起來(lái)的使用SU-8負(fù)型膠代替PMMA正膠作光敏材料，以減少曝光時(shí) 間和提髙加工效率，是LIGA技術(shù)新的發(fā)展動(dòng)向。這是，由于LIGA技術(shù)需要極其昂貴的X射 線光源和制作復(fù)雜的掩模板，使苴工藝成本非常高，限制該技術(shù)在工業(yè)上推廣應(yīng)用。于是岀現(xiàn)了一類應(yīng)用低成本光刻光源和(或)掩模制造工藝而制造性能與LIGA技術(shù)相當(dāng)?shù)男碌募庸?技術(shù)，通稱為準(zhǔn)LIGA技術(shù)或LIGA-like技術(shù)。如，用紫外光源曝光的U

19、V-LIGA技術(shù)，準(zhǔn)分 子激光光源的Laser-LIGA技術(shù)和用微細(xì)電火花加工技術(shù)制作掩模的MicroEDM-LIGA技術(shù).用DRIE工藝制作掩模的DEM技術(shù)等等。其中，以SU-8光刻膠為光敏材料，紫外光為曝光源 的UV-LIGA技術(shù)因有諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用o第六節(jié).TELA工藝流程ST 的 MEMS I：藝采用 THEMLA 流程，即 THick Epitaxial Layer for Micromotor andAccelerometer(微電機(jī)和加速度計(jì)的厚外延層)，它可以分為六個(gè)步驟：生長(zhǎng)一層硅：在硅 上生長(zhǎng)氧化層：在氧化層上蝕刻小孔用于生成固圧點(diǎn)：在氧化層上生長(zhǎng)15um厚的外延層：

20、進(jìn)行深度蝕刻，形成電容極板：最后移除氧化層，完成機(jī)械部分。四、基于DSP的MEMS陀螺儀信號(hào)處理平臺(tái)設(shè)計(jì)第一節(jié)、MEMS陀螺儀信號(hào)處理平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)1. 信號(hào)處理平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)及工作原理MEHS陀螺儀信號(hào)的處理平臺(tái)的硬件系統(tǒng)應(yīng)該包括以下幾個(gè)部分：DSP模塊，數(shù)據(jù)采集模 塊，上位機(jī)通信模塊和JTAG調(diào)試接口模塊。數(shù)據(jù)采集模塊由兩部分組成：6路16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8364和同步時(shí)序控制器 FPGA(A3P250VQ100)。FPGA(A3P250VQ100)-方面是控制各個(gè)單元時(shí)序，另一方面是為了對(duì)A / D采集來(lái)的陀螺信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8361通過(guò)FPGA與DSPVC33相連

21、，采集三軸陀螺信號(hào)。DSP主要完成對(duì)陀螺信號(hào)的降噪運(yùn)算。陀螺信號(hào)經(jīng)DSP處理后再由SCI接口傳送到上位 機(jī)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理框圖如圖1所示。圖1 信號(hào)處理平臺(tái)硬件原理框圖在圖1中三路陀螺模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)各自的信號(hào)調(diào)理、抗混迭濾波后進(jìn)入多通道A/D轉(zhuǎn)換 器，在FPGA的控制下選擇一路信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果送入FPGA片上FIFO緩存，由DSP 讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。同時(shí)FPGA對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器傳過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，再送到 DSP進(jìn)行信號(hào)降噪處理，保證了 MEHS陀螺信號(hào)處理系統(tǒng)處理的實(shí)時(shí)性。然后DSP把處理后 的結(jié)果送至上位機(jī)和經(jīng)過(guò)串口輸出，完成數(shù)字輸出和模擬輸出，滿足不同的應(yīng)用要求。2. 信號(hào)

22、處理平臺(tái)A/D電路設(shè)計(jì)在整個(gè)MEME陀螺信號(hào)處理平臺(tái)中,A/D轉(zhuǎn)換器是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分關(guān)鍵核心器件, 信號(hào)處理系統(tǒng)中選用了美國(guó)徳州儀器(TI)公司的ADS8364作為MEMS陀螺信號(hào)處理平臺(tái)的A /D轉(zhuǎn)換器。ADS8364是TI公司推出的高速、低功耗、6通道16位A/D轉(zhuǎn)換芯片，共有64 個(gè)引腳。其時(shí)鐘信號(hào)由外部提供，最髙頻率為5 MHz,對(duì)應(yīng)的采樣頻率是250 kHz。數(shù)字電 源供電電壓為35 V,即可以與3. 3 V供電的微控制器接口，也可以與5 V供電的微控制 器接口。所以ADS8364非常適合應(yīng)用在精度要求較高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的嵌入式信號(hào)處理系統(tǒng)中°ADS8364的時(shí)鐘信號(hào)由外

23、部提供，這里由FPGA提供時(shí)鐘信號(hào)，主要是考慮到FPGA可以 靈活地改變時(shí)鐘頻率，進(jìn)而改變系統(tǒng)的采樣頻率。A/D轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC。 將ADS8364的BYTE引腳接低電平，使轉(zhuǎn)換結(jié)果以16位的方式輸出。地址/模式信號(hào)(A0, Al, A2)決立ADS8364的數(shù)據(jù)讀取方式，可以選擇的方式包括單通道、周期或FIFO模式。將 ADD引腳置為高電平，使得讀岀的數(shù)據(jù)中包含轉(zhuǎn)換通道信息?？紤]到數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的采 樣頻率一般較高，如果用DSP直接控制ADS8361的訪問(wèn)，將占用DSP較多的資源，同時(shí)對(duì) DSP的實(shí)時(shí)性要求也較高。因此在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，用FPGA實(shí)現(xiàn)ADS8364的接口控制電

24、路， 并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在FPGA中，用DSP實(shí)現(xiàn)FPGA芯片的輸岀接口。圖2為ADS8364與FPGA 的接口電路設(shè)計(jì)圖。圖2ADS8364與FPGA的接口電路圖"窪恍3. DSP的串行通信接口設(shè)計(jì)TMS32OVC33 DSP中的串口是一種冋步串行接口，串行通信接口(SCI)是采用雙線通信的 異步串行通信接口，即通常所說(shuō)的UART 口，VC33內(nèi)部帶有串行通信模塊，該串口支持16 級(jí)接收和發(fā)送FIFO.可以與PC和其他異步通信外設(shè)進(jìn)行數(shù)字通信，在信號(hào)處理平臺(tái)系統(tǒng)中 采用RS 232通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)給上位機(jī)，與TMS320VC33接口的外設(shè)選用MAX3232。第二節(jié)、MEMS陀螺儀信號(hào)

25、處理平臺(tái)系統(tǒng)任務(wù)分析MEMS信號(hào)處理系統(tǒng)劃分為三個(gè)獨(dú)立的任務(wù)：數(shù)據(jù)采集任務(wù)、陀螺信號(hào)處理任務(wù)和上位 機(jī)通信任務(wù)。各個(gè)任務(wù)之間通過(guò)DSP / BIOS的旗語(yǔ)信號(hào)量進(jìn)行同步和協(xié)調(diào)。數(shù)據(jù)采集任務(wù)是負(fù)責(zé)對(duì)MEMS陀螺的信號(hào)進(jìn)行采集。該任務(wù)是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，優(yōu)先級(jí) 最高，執(zhí)行時(shí)間比其他任務(wù)短，因此選用DSP / BIOs的硬件中斷模塊(H町)。硬件中斷模塊 (HWI)具有嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性和髙優(yōu)先級(jí)，一HSPIFIFO接收寄存器被外部ADC寫(xiě)滿，立即產(chǎn)生 相應(yīng)的中斷，CPU立即掛起當(dāng)前的任務(wù)，調(diào)用相應(yīng)的中斷服務(wù)程序數(shù)據(jù)采集任務(wù)，將FIFO 緩沖區(qū)內(nèi)的采樣值讀入接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，啟動(dòng)后續(xù)采樣。這時(shí)中斷服務(wù)程序退出

26、，CPU的控 制權(quán)返還給先前的任務(wù)。陀螺信號(hào)處理任務(wù)負(fù)責(zé)對(duì)采集到的數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行小波除噪和溫度補(bǔ)償?shù)人惴ㄌ幚怼?在設(shè)計(jì)時(shí)引入了 DSP / BIOS的另一種線程類型TSK來(lái)實(shí)現(xiàn)。任務(wù)是獨(dú)立使用的CPU進(jìn)程，真 正體現(xiàn)了多線程的思想，支持阻塞和優(yōu)先級(jí)搶斷。TSK共有15個(gè)優(yōu)先級(jí)，每個(gè)任務(wù)均有自己獨(dú)立的堆棧，響應(yīng)延時(shí)比較長(zhǎng)，適合對(duì)實(shí)時(shí) 性要求不是很高的進(jìn)程。TSK對(duì)象的優(yōu)先級(jí)低于硬件中斷(HWI),可根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)和當(dāng) 前執(zhí)行狀況調(diào)度或搶占任務(wù)。陀螺信號(hào)處理任務(wù)在數(shù)據(jù)采集任務(wù)的空閑周期執(zhí)行，也就是在 采樣值寫(xiě)入FIFO緩沖區(qū)這段時(shí)間執(zhí)行。當(dāng)數(shù)據(jù)采集任務(wù)執(zhí)行完成，發(fā)送旗語(yǔ)信號(hào)M SEM.PROC

27、陀螺信號(hào)的處理任務(wù)，對(duì)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)的采樣值進(jìn)行處理，如果沒(méi)有收到旗語(yǔ)信號(hào)量 SEM.PROC任務(wù)自動(dòng)掛起。上位機(jī)通信任務(wù)負(fù)責(zé)系統(tǒng)與外部通信，將處理完成的數(shù)據(jù)通過(guò)SCI接口傳輸給上位機(jī)。 上位機(jī)通信任務(wù)同樣采用DSP / BIOS中的TSK線程實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)通信任務(wù)的優(yōu)先級(jí)低于任務(wù) 陀螺信號(hào)處理任務(wù)，在數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理的間隙執(zhí)行。陀螺信號(hào)處理任務(wù)執(zhí)行完成，發(fā)送 旗語(yǔ)信號(hào)量SEM-XMIT上位機(jī)通信任務(wù)，將數(shù)據(jù)送出。第三節(jié)、MEMS信號(hào)處理平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)方案MEMS陀螺儀信號(hào)處理平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)包括DSP程序設(shè)計(jì)、FPGA控制和時(shí)序程序設(shè)計(jì)。 DSP編程的主要任務(wù)是初始化、管理板上的資源，并實(shí)現(xiàn)前端數(shù)

28、字信號(hào)處理的算法。這里以 TI公司提供的功能強(qiáng)大的CCS (Code Composer Studio)為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。系統(tǒng)上電復(fù)位后。首先完成DSP自身的初始化，包括配置RAM模塊，設(shè)麗1/ 0模式、 定時(shí)器模式、中斷等，然后程序進(jìn)人循環(huán)狀態(tài)，等待中斷。FPGA的軟件設(shè)汁主要包括對(duì)A/D的采集控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸?shù)目刂?、信?hào)的預(yù)處理 和同步時(shí)序的產(chǎn)生與控制。首先由FPGA把A/D采集來(lái)的MEMS陀螺儀的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FPGA 中，然后由FPGA對(duì)采集來(lái)的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，然后等待DSP的控制信號(hào)把預(yù)處理的信號(hào)送 入DSP中進(jìn)行信號(hào)處理和傳輸。系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)方案如圖3所示。圖3 信號(hào)處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方

29、案五、基于GPS的汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)第一節(jié)、主體控制方案本系統(tǒng)是以單片機(jī)為主要控制器件，基于GSP模塊的新型智能電動(dòng)汽車底盤(pán)的導(dǎo)航系 統(tǒng)設(shè)計(jì)。該車底盤(pán)具有智能避障、尋跡、測(cè)距、報(bào)警、尋光、行駛路程顯示、行駛時(shí)間顯示、 車體所在環(huán)境溫度顯示、車體所在環(huán)境濕度顯示、人工泄位等功能。可以使用無(wú)線遙控器控 制，并可以在上位機(jī)顯示出它所在的位置等數(shù)據(jù)信息。本系統(tǒng)設(shè)訃主要包括硬件電路的設(shè)計(jì)、 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)、多機(jī)通信設(shè)il與總線接口的設(shè)汁。系統(tǒng)框圖如圖1所示。本系統(tǒng) 硬件電路主要包括控制模塊、GPS定位模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點(diǎn)接口模塊、光報(bào)警模塊、顯示驅(qū)動(dòng)模塊、時(shí)間模

30、塊、鍵盤(pán)模塊與無(wú)線通信模塊組成。傳感 器數(shù)據(jù)采集模塊由光電傳感器進(jìn)行對(duì)光線的跟蹤，紅外傳感器進(jìn)行對(duì)近距離的數(shù)據(jù)采集，聲 納傳感器進(jìn)行對(duì)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)采集，溫度傳感器對(duì)車體周用的環(huán)境溫度采集，濕度傳感器對(duì) 周囤環(huán)境的相對(duì)濕度采集等。網(wǎng)絡(luò)接口采用串行通信方式。顯示驅(qū)動(dòng)模塊由LED數(shù)碼管與 液晶共同顯示。無(wú)線通信模塊采用FSK方式進(jìn)行無(wú)線傳輸。盧制卅模決紇外儀感模決t工踐通侍按決|A認(rèn)吋;云桓從 絶世按塊圖1系統(tǒng)框圖第二節(jié)、GPS定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)GPS泄位主要采用技術(shù)非常成熟的GPS模塊進(jìn)行與單片機(jī)的接口通信完成。電機(jī)驅(qū)動(dòng) 電路模塊主要采用H型電路構(gòu)建而成。GPS模塊的電源接口供電有15v、12v、5v、

31、3. 3v不 等，本系統(tǒng)為了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單采用全新臺(tái)灣HOLUX公司推出的SIRF第三代髙靈敏度超小型GPS 接收模塊這是最新推出的產(chǎn)品，采用SiRF第三代芯片，主要是左位靈敏度大大提髙，例如 在汽車上應(yīng)用時(shí)，只要靠近車窗就能較好工作，使用更方便，立位也更準(zhǔn)確。本模塊主要是 提供給從事GPS模塊二次開(kāi)發(fā)的客戶使用的，GPS模塊使用3. 3伏（70亳安）直流工作電 壓，默認(rèn)每秒輸岀一次TTL的NMEA-0183信號(hào)。此模塊接口左義如表1所示。GPS控制模 塊口控制模塊方框圖如圖2所示。為了使車具有導(dǎo)航系統(tǒng)，所以在車體上安裝了 GPS模塊, 本設(shè)計(jì)采用全新臺(tái)灣HOLUX公司推出的SIRF第三代高靈敏度超

32、小型GPS接收模塊，該模塊 由6個(gè)控制腳組成。為了減輕主控CPI；的負(fù)擔(dān)，并且為了模塊化硬件，所以該GPS模塊由 一塊STC12C2052單片機(jī)進(jìn)行單獨(dú)的控制，并且通過(guò)74HS573與主單片機(jī)進(jìn)行總線通信。 STC12C2052單片機(jī)與GPS通過(guò)串行口連接，并且以4800bps的波特率進(jìn)行通信。單片機(jī)的 P1 口與74HC573的數(shù)據(jù)輸入口相連接，作為并行的8為數(shù)據(jù)總線使用，而LE端口通過(guò)一 個(gè)反響器與STC12C2052單片機(jī)的P3. 7連接，并且P3. 7 口通過(guò)一個(gè)74HC14與主控單片機(jī) 的INTO相連。這樣當(dāng)P3.7為低電平時(shí)數(shù)據(jù)緩沖器74HC573的LE被選通,并且單片機(jī)的 INT

33、O為低電平，這樣就可以使用并行端口與主控單片機(jī)在中斷中將數(shù)據(jù)讀入。雙色共陽(yáng)極 LED的作用有兩個(gè)，一個(gè)作用是可以提供給串行口更大的驅(qū)動(dòng)能力；另一個(gè)作用可以看到信 號(hào)是否在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。表1 GSP管腳定義PiiR引腳名稱心備洼:p心VCC_5g+3.5-5.5V正電源小TXAVGPS數(shù)據(jù)輸出腳Q3qRXZUSerial Data input port 24口RXBSerial Data input port5卩GND電源地*TIMEMARK1PPS Time mark outputZDGM刃B屮我龍丄卜川爪誡簾換一班STG2CK卅牡1林1'iZlKMl.p終軟壩4HC24- “ LCT）竝樓或丄如外忙廉卅按fl (<|71J|L74-I海濕段傳廉器琪點(diǎn)1*代壯社i"薊衣圖2 GPS接口控