陀螺儀傳感器產(chǎn)業(yè)探究

1、MEMS陀螺儀傳感器產(chǎn)業(yè)探究目錄：一、MEMS陀螺儀市場現(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)、什么是微機械（MEMS）？3第二節(jié)、微機械陀螺儀（MEMS gyroscope）的工作原理3第三節(jié)、微機械陀螺儀的結(jié)構(gòu)4三、MEMS技術的加工工藝6第一節(jié)、體加工工藝6第二節(jié)、硅表面微機械加工技術7第三節(jié)、結(jié)合技術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陀螺儀信號處理平臺設計9第一節(jié)、MEMS陀螺儀信號處理平臺的硬件結(jié)構(gòu)9第二節(jié)、MEMS陀螺儀信號處理平臺系統(tǒng)任務分析10第三

2、節(jié)、MEMS信號處理平臺軟件設計方案11五、基于GPS的汽車導航系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)12第一節(jié)、主體控制方案12第二節(jié)、GPS定位系統(tǒng)設計13第三節(jié)、車體部分MCU 主控模塊設計14第四節(jié)、系統(tǒng)軟件設計14一、MEMS陀螺儀市場現(xiàn)狀MEMS陀螺儀即微機電系統(tǒng)陀螺儀，是一種微型傳感器，主要用于手機及游戲機等領域。與普通芯片相比，除計算功能外，此產(chǎn)品還具有感知功能，通過內(nèi)置的 陀螺儀傳感器 可以感知外界運動，并做出相應反應。在具體應用上，MEMS芯片可以用在消費類電子產(chǎn)品上，比如游戲機中的動作控制；可以用在汽車安全領域，在汽車出現(xiàn)緊急情況時及時作出反應；在軍事、航海中，陀螺儀被用來導航。此前全球針對消

3、費電子產(chǎn)品的陀螺儀廠商只有意法半導體（ST）、飛思卡爾半導體（Freescale）兩家，深迪半導體（）成為第三家，打破了國內(nèi)眾多消費電子廠商陀螺儀全部依賴進口的局面。深迪半導體成立于2008年8月，目前在國內(nèi)還沒有競爭對手。根據(jù)著名市場研究顧問機構(gòu) Yole Development 的最新預測，MEMS 陀螺儀、加速度計和 IMU 的銷售額在2013年將達到45億美元的規(guī)模，在消費類應用市場的年增長率達到了27%，而中國未來將是消費類電子、汽車工業(yè)以及其產(chǎn)業(yè)鏈的中心和全球最大的市場。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，加速度和陀螺儀

4、一體化，號稱封裝尺寸最小。 2009年，借助任天堂（日本最著名的游戲制作公司）的成功，InvenSense在MEMS市場成長速度位居第一。 （2）ST：ST的產(chǎn)品線比較長，主打3軸。陀螺儀L3G系列和加速度傳感器LIS屬于兩個不同的系列。 （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，根據(jù)加速度分成低/中/高三類，典型應用案例是汽車氣囊。沒有找到陀螺儀的介紹。應該是以工業(yè)產(chǎn)品為主。 （5）村田（Murata）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市場的成長速度名列第二的松下，主要面向車用傳

5、感器市場。第二節(jié)、MEMS在我國的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀目前國內(nèi)已有1688家企事業(yè)從事傳感器的研制、生產(chǎn)和應用，其中從事MEMS研制生產(chǎn)的只有50多家，其規(guī)模和應用領域都較小。在國際市場上，德國、日本、美國、俄羅斯等老牌工業(yè)國家的企業(yè)主導了傳感器市場，許多廠家的生產(chǎn)都實現(xiàn)了規(guī)?；?，有些企業(yè)的年生產(chǎn)能力達到幾千萬只甚至幾億只。相比之下，中國傳感器的應用范圍較窄，更多的應用仍然停留在工業(yè)測量與控制等基礎應用領域。深迪半導體，發(fā)布了旗下第一款陀螺儀產(chǎn)品 - SSZ030CG，這標志著第一款具有中國自主知識產(chǎn)權的商用 MEMS 陀螺儀誕生。二、MEMS陀螺儀介紹第一節(jié)、什么是微機械（MEMS）？微機械MEMS是英

6、文Micro Electro Mechanical systems的縮寫，即微電子機械系統(tǒng)。微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術是建立在微米/納米技術（micro/nanotechnology）基礎上的 21世紀前沿技術，是指對微米/納米材料進行設計、加工、制造、測量和控制的技術。它可將機械構(gòu)件、光學系統(tǒng)、驅(qū)動部件、電控系統(tǒng)集成為一個整體單元的微型系統(tǒng)。這種微電子機械系統(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。它用微電子技術和微加工技術(包括硅體微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片鍵合等技術)相結(jié)合的制造工藝，制造出各種性能優(yōu)異、價格低廉、微型化的傳

7、感器、執(zhí)行器、驅(qū)動器和微系統(tǒng)。微電子機械系統(tǒng)（MEMS）是近年來發(fā)展起來的一種新型多學科交叉的技術，該技術將對未來人類生活產(chǎn)生革命性的影響。它涉及機械、電子、化學、物理、光學、生物、材料等多學科。第二節(jié)、微機械陀螺儀（MEMS gyroscope）的工作原理傳統(tǒng)的陀螺儀主要是利用角動量守恒原理，因此它主要是一個不停轉(zhuǎn)動的物體，它的轉(zhuǎn)軸指向不隨承載它的支架的旋轉(zhuǎn)而變化。但是微機械陀螺儀的工作原理不是這樣的，因為要用微機械技術在硅片襯底上加工出一個可轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)可不是一件容易的事。微機械陀螺儀利用科里奧利力旋轉(zhuǎn)物體在有徑向運動時所受到的切向力。下面是導出科里奧利力的方法。有力學知識的讀者應該不難理解

8、。在空間設立動態(tài)坐標系。用以下方程計算加速度可以得到三項，分別來自徑向加速、科里奧利加速度和向心加速度?？评飱W利力動態(tài)坐標系公式推導如果物體在圓盤上沒有徑向運動，科里奧利力就不會產(chǎn)生。因此，在MEMS陀螺儀的設計上，這個物體被驅(qū)動，不停地來回做徑向運動或者震蕩，與此對應的科里奧利力就是不停地在橫向來回變化，并有可能使物體在橫向作微小震蕩，相位正好與驅(qū)動力差90度。MEMS陀螺儀通常有兩個方向的可移動電容板。徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作徑向運動（有點象加速度計中的自測試模式），橫向的電容板測量由于橫向科里奧利運動帶來的電容變化（就象加速度計測量加速度）。因為科里奧利力正比于角速度，所以由電容

9、的變化可以計算出角速度。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芯片分開平放連線的封裝方法。第三節(jié)、微機械陀螺儀的結(jié)構(gòu)微機械陀螺儀的設計和工作原理可能各種各樣，但是公開的微機械陀螺儀均采用振動物體傳感角速度的概念。利用振動來誘導和探測科里奧利力而設計的微機械陀螺儀沒有旋轉(zhuǎn)部件、不需要軸承，已被證明可以用微機械加工技術大批量生產(chǎn)。為機械陀螺結(jié)構(gòu)示意圖絕大多數(shù)微機械陀螺儀依賴于由相互正交的振動和轉(zhuǎn)動引起的交變科里奧利力。振動物體被柔軟的彈性結(jié)構(gòu)懸掛在基底之上。整體動力學系統(tǒng)是二維彈性阻尼系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中振動和轉(zhuǎn)動誘導

10、的科里奧利力把正比于角速度的能量轉(zhuǎn)移到傳感模式。通過改進設計和靜電調(diào)試使得驅(qū)動和傳感的共振頻率一致，以實現(xiàn)最大可能的能量轉(zhuǎn)移，從而獲得最大靈敏度。大多數(shù)微機械陀螺儀驅(qū)動和傳感模式完全匹配或接近匹配，它對系統(tǒng)的振動參數(shù)變化極其敏感驅(qū)動和感應的頻寬，而這些系統(tǒng)參數(shù)會改變振動的固有頻率，因此需要一個好的控制架構(gòu)來做修正。如果需要高的品質(zhì)因子（Q），驅(qū)動和感應的頻寬必須很窄。增加1%的頻寬可能降低20%的信號輸出。(上圖a） 還有阻尼大小也會影響信號輸出。（上圖b）一般的微機械陀螺儀由梳子結(jié)構(gòu)的驅(qū)動部分和電容板形狀的傳感部分組成。有的設計還帶有去驅(qū)動和傳感耦合的結(jié)構(gòu)。梳子結(jié)構(gòu)的驅(qū)動部分傳感耦合的結(jié)構(gòu)三

11、、MEMS技術的加工工藝    微機械加工工藝分為硅基加工和非硅基加工。下面主要介紹體加工工藝、硅表面微機械加工技術、結(jié)合加工、逐次加工。    下圖是微機械加工工藝的流程落圖。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。    腐蝕技術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

12、體利用反應性氣體或離子流進行的腐蝕。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MEMS工藝常用設備。按刻蝕原理分，可分為等離子體刻蝕（PE：Plasma Etching）、反應離子刻蝕（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，可是實現(xiàn)各向同性的等離子腐蝕。通過離子流腐蝕，可以實現(xiàn)方向性腐蝕。    （2）濕法腐蝕是將與腐蝕的硅片置入具有確定化學成分和固定溫度的腐蝕液體里進行的腐

13、蝕。硅的各向同性腐蝕是在硅的各個腐蝕方向上的腐蝕速度相等。比如化學拋光等等。常用的腐蝕液是HF-HNO3腐蝕系統(tǒng)，一般在HF和HNO3中加H2O或者CH3COOH。與H2O相比，CH3COOH可以在更廣泛的范圍內(nèi)稀釋而保持HNO3的氧化能力，因此腐蝕液的氧化能力在使用期內(nèi)相當穩(wěn)定。硅的各向異性腐蝕，是指對硅的不同晶面具有不同的腐蝕速率。比如， 100/111面的腐蝕速率比為100：1。基于這種腐蝕特性，可在硅襯底上加工出各種各樣的微結(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。另一類是無機腐蝕劑，包括堿性腐蝕液，如：KOH，NaOH，LiOH，

14、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控制理想的幾何形狀，而且還可以采用自停止技術來控制腐蝕的深度。比如陽極自停止腐蝕、PN結(jié)自停止腐蝕、異質(zhì)自停止腐蝕、重摻雜自停止腐蝕、無電極自停止腐蝕還有利用光電效應實現(xiàn)自停止腐蝕等等。 第二節(jié)、硅表面微機械加工技術    美國加州大學Berkeley分校的Sensor and Actuator小組首先完成了三層多晶硅表面微機械加工工藝，確立了硅表面微加工工藝的體系。    表面微機械加工是把MEMS的“機械”（運

15、動或傳感）部分制作在沉積于硅晶體的表面膜（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)可運動的機構(gòu)。分離主要依靠犧牲層（Sacrifice Layer）技術，即在硅襯底上先沉積上一層最后要被腐蝕（犧牲）掉的膜（如SiO2可用HF腐蝕），再在其上淀積制造運動機構(gòu)的膜，然后用光刻技術制造出機構(gòu)圖形和腐蝕下面膜的通道，待一切完成后就可以進行犧牲層腐蝕而使微機構(gòu)自由釋放出來。    硅表面微機械加工技術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、陽極氧化工藝。其中LIGA工藝是利用光制造工藝

16、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感光膠上獲得高寬比的鑄型，然后通過電鍍或化學鍍的方法得到所要的金屬結(jié)構(gòu)。干式制膜主要包括CVD（Chemical Vapor Deposition）和PVD（Physical Vapor Deposition）。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    微加工工藝中有時需要將兩塊微加工后的基片粘結(jié)起來，可以獲得復雜的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)更多的功能。將基片結(jié)合起來的辦法有焊接、融接、壓接（固相結(jié)合）、粘接、陽極鍵合、硅直接鍵合、擴散鍵合等方法。 

17、;第四節(jié)、逐次加工    逐次加工是同時加工工藝的補充，常用于模具等復雜形狀的加工，其優(yōu)點是容易制作自由形狀，可對非平面加工，缺點是加工時間很長，屬單件生產(chǎn)，成本高。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：如利用離子束CVD技術，可使僅被照射部分的材料堆積，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面局部改質(zhì)的技術，它的應用有電子

18、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  LIGA工藝是一種基于X射線光刻技術的MEMS加工技術（工藝流程如圖所示），主要包括X光深度同步輻射光刻，電鑄制模和注模復制三個工藝步驟。由于X射線有非常高的平行度、極強的輻射強度、連續(xù)的光譜，使LIGA技術能夠制造出高寬比達到500、厚度大于1500 m、結(jié)構(gòu)側(cè)壁光滑且平行度偏差在亞微米范圍內(nèi)的三維立體結(jié)構(gòu)。這是其它微制造技術所無法實現(xiàn)的。LIGA技術被視為微納米制造技術中最有生命力、最有前途的加工技術。利用LIGA技術，不僅可制造

19、微納尺度結(jié)構(gòu)，而且還能加工尺度為毫米級的Meso結(jié)構(gòu)。目前,國內(nèi)新興發(fā)展起來的使用SU-8負型膠代替PMMA正膠作光敏材料，以減少曝光時間和提高加工效率，是LIGA技術新的發(fā)展動向。這是,由于LIGA技術需要極其昂貴的X射線光源和制作復雜的掩模板，使其工藝成本非常高，限制該技術在工業(yè)上推廣應用。于是出現(xiàn)了一類應用低成本光刻光源和(或)掩模制造工藝而制造性能與LIGA技術相當?shù)男碌募庸ぜ夹g，通稱為準LIGA技術或LIGA-like技術。如，用紫外光源曝光的UV-LIGA技術，準分子激光光源的Laser-LIGA技術和用微細電火花加工技術制作掩模的MicroEDMLIGA技術.用DRIE工藝制作掩

20、模的DEM技術等等。其中，以SU-8光刻膠為光敏材料，紫外光為曝光源的UV-LIGA技術因有諸多優(yōu)點而被廣泛采用。第六節(jié)、THEMLA工藝流程ST的MEMS工藝采用THEMLA流程，即THick Epitaxial Layer for Micromotor and Accelerometer(微電機和加速度計的厚外延層)，它可以分為六個步驟：生長一層硅；在硅上生長氧化層；在氧化層上蝕刻小孔用于生成固定點；在氧化層上生長15um厚的外延層；進行深度蝕刻，形成電容極板；最后移除氧化層，完成機械部分。四、基于DSP的MEMS陀螺儀信號處理平臺設計第一節(jié)、MEMS陀螺儀信號處理平臺的硬件結(jié)構(gòu)1信號處理

21、平臺的硬件結(jié)構(gòu)及工作原理 MEMS陀螺儀信號的處理平臺的硬件系統(tǒng)應該包括以下幾個部分：DSP模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，上位機通信模塊和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和同步時序控制器FPGA(A3P250VQ100)。FPGA(A3P250VQ100)一方面是控制各個單元時序，另一方面是為了對AD采集來的陀螺信號進行預處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8364通過FPGA與DSPVC33相連，采集三軸陀螺信號。DSP主要完成對陀螺信號的降噪運算。陀螺信號經(jīng)DSP處理后再由SCI接口傳送到上位機。系統(tǒng)設計的原理框圖如圖1所示。在圖1中三路陀螺模擬信號經(jīng)過各自的信號

22、調(diào)理、抗混迭濾波后進入多通道AD轉(zhuǎn)換器，在FPGA的控制下選擇一路信號進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果送入FPGA片上FIFO緩存，由DSP讀取數(shù)據(jù)并進行數(shù)字信號處理。同時FPGA對AD轉(zhuǎn)換器傳過來的信號進行預處理，再送到DSP進行信號降噪處理，保證了MEMS陀螺信號處理系統(tǒng)處理的實時性。然后DSP把處理后的結(jié)果送至上位機和經(jīng)過串口輸出，完成數(shù)字輸出和模擬輸出，滿足不同的應用要求。2.信號處理平臺AD電路設計 在整個MEME陀螺信號處理平臺中，AD轉(zhuǎn)換器是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分關鍵核心器件，信號處理系統(tǒng)中選用了美國德州儀器(TI)公司的ADS8364作為MEMS陀螺信號處理平臺的AD轉(zhuǎn)換器。ADS8364是T

23、I公司推出的高速、低功耗、6通道16位AD轉(zhuǎn)換芯片，共有64個引腳。其時鐘信號由外部提供，最高頻率為5 MHz，對應的采樣頻率是250 kHz。數(shù)字電源供電電壓為35 V，即可以與33 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非常適合應用在精度要求較高，結(jié)構(gòu)簡單的嵌入式信號處理系統(tǒng)中。ADS8364的時鐘信號由外部提供，這里由FPGA提供時鐘信號，主要是考慮到FPGA可以靈活地改變時鐘頻率，進而改變系統(tǒng)的采樣頻率。AD轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)束信號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(A0，A1，A2)決定AD

24、S8364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，使得讀出的數(shù)據(jù)中包含轉(zhuǎn)換通道信息。考慮到數(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ADS8364的訪問，將占用DSP較多的資源，同時對DSP的實時性要求也較高。因此在本系統(tǒng)設計中，用FPGA實現(xiàn)ADS8364的接口控制電路，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在FPGA中，用DSP實現(xiàn)FPGA芯片的輸出接口。圖2為ADS8364與FPGA的接口電路設計圖。3.DSP的串行通信接口設計TMS320VC33 DSP中的串口是一種同步串行接口，串行通信接口(SCI)是采用雙線通信的異步串行通信接口，即通常所說的

25、UART口，VC33內(nèi)部帶有串行通信模塊，該串口支持16級接收和發(fā)送FIFO，可以與PC和其他異步通信外設進行數(shù)字通信，在信號處理平臺系統(tǒng)中采用RS 232通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)給上位機，與TMS320VC33接口的外設選用MAX3232。第二節(jié)、MEMS陀螺儀信號處理平臺系統(tǒng)任務分析MEMS信號處理系統(tǒng)劃分為三個獨立的任務：數(shù)據(jù)采集任務、陀螺信號處理任務和上位機通信任務。各個任務之間通過DSPBIOS的旗語信號量進行同步和協(xié)調(diào)。數(shù)據(jù)采集任務是負責對MEMS陀螺的信號進行采集。該任務是系統(tǒng)的關鍵部分，優(yōu)先級最高，執(zhí)行時間比其他任務短，因此選用DSPBIOs的硬件中斷模塊(HWI)。硬件中斷模塊(HW

26、I)具有嚴格的實時性和高優(yōu)先級，一旦SPIFIFO接收寄存器被外部ADC寫滿，立即產(chǎn)生相應的中斷，CPU立即掛起當前的任務，調(diào)用相應的中斷服務程序數(shù)據(jù)采集任務，將FIFO緩沖區(qū)內(nèi)的采樣值讀入接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，啟動后續(xù)采樣。這時中斷服務程序退出，CPU的控制權返還給先前的任務。陀螺信號處理任務負責對采集到的數(shù)字量信號進行小波除噪和溫度補償?shù)人惴ㄌ幚?。在設計時引入了DSPBIOS的另一種線程類型TSK來實現(xiàn)。任務是獨立使用的CPU進程，真正體現(xiàn)了多線程的思想，支持阻塞和優(yōu)先級搶斷。TSK共有15個優(yōu)先級，每個任務均有自己獨立的堆棧，響應延時比較長，適合對實時性要求不是很高的進程。TSK對象的優(yōu)先級低

27、于硬件中斷(HWI)，可根據(jù)任務的優(yōu)先級和當前執(zhí)行狀況調(diào)度或搶占任務。陀螺信號處理任務在數(shù)據(jù)采集任務的空閑周期執(zhí)行，也就是在采樣值寫入FIFO緩沖區(qū)這段時間執(zhí)行。當數(shù)據(jù)采集任務執(zhí)行完成，發(fā)送旗語信號量SEM_PROC陀螺信號的處理任務，對數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)的采樣值進行處理，如果沒有收到旗語信號量SEM_PROC任務自動掛起。上位機通信任務負責系統(tǒng)與外部通信，將處理完成的數(shù)據(jù)通過SCI接口傳輸給上位機。上位機通信任務同樣采用DSPBIOS中的TSK線程實現(xiàn)。上位機通信任務的優(yōu)先級低于任務陀螺信號處理任務，在數(shù)據(jù)采集和信號處理的間隙執(zhí)行。陀螺信號處理任務執(zhí)行完成，發(fā)送旗語信號量SEM-XMIT上位機通信

28、任務，將數(shù)據(jù)送出。第三節(jié)、MEMS信號處理平臺軟件設計方案MEMS陀螺儀信號處理平臺的軟件設計包括DSP程序設計、FPGA控制和時序程序設計。DSP編程的主要任務是初始化、管理板上的資源，并實現(xiàn)前端數(shù)字信號處理的算法。這里以TI公司提供的功能強大的CCS(Code Composer Studio)為集成開發(fā)環(huán)境。系統(tǒng)上電復位后。首先完成DSP自身的初始化，包括配置RAM模塊，設置IO模式、定時器模式、中斷等，然后程序進人循環(huán)狀態(tài)，等待中斷。FPGA的軟件設計主要包括對AD的采集控制、數(shù)據(jù)存儲與傳輸?shù)目刂啤⑿盘柕念A處理和同步時序的產(chǎn)生與控制。首先由FPGA把AD采集來的MEMS陀螺儀的數(shù)據(jù)存儲在

29、FPGA中，然后由FPGA對采集來的信號進行預處理，然后等待DSP的控制信號把預處理的信號送入DSP中進行信號處理和傳輸。系統(tǒng)軟件的設計方案如圖3所示。五、基于GPS的汽車導航系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)第一節(jié)、主體控制方案本系統(tǒng)是以單片機為主要控制器件，基于GSP 模塊的新型智能電動汽車底盤的導航系統(tǒng)設計。該車底盤具有智能避障、尋跡、測距、報警、尋光、行駛路程顯示、行駛時間顯示、車體所在環(huán)境溫度顯示、車體所在環(huán)境濕度顯示、人工定位等功能。可以使用無線遙控器控制，并可以在上位機顯示出它所在的位置等數(shù)據(jù)信息。本系統(tǒng)設計主要包括硬件電路的設計、實時操作系統(tǒng)程序設計、多機通信設計與總線接口的設計。系統(tǒng)框圖如圖1

30、 所示。本系統(tǒng)硬件電路主要包括控制模塊、GPS 定位模塊、電機驅(qū)動模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、網(wǎng)絡節(jié)點接口模塊、光報警模塊、顯示驅(qū)動模塊、時間模塊、鍵盤模塊與無線通信模塊組成。傳感器數(shù)據(jù)采集模塊由光電傳感器進行對光線的跟蹤，紅外傳感器進行對近距離的數(shù)據(jù)采集，聲納傳感器進行對遠距離的數(shù)據(jù)采集，溫度傳感器對車體周圍的環(huán)境溫度采集，濕度傳感器對周圍環(huán)境的相對濕度采集等。網(wǎng)絡接口采用串行通信方式。顯示驅(qū)動模塊由LED 數(shù)碼管與液晶共同顯示。無線通信模塊采用FSK方式進行無線傳輸。圖1 系統(tǒng)框圖第二節(jié)、GPS定位系統(tǒng)設計GPS 定位主要采用技術非常成熟的GPS 模塊進行與單片機的接口通信完成。電機驅(qū)動電路

31、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、3.3v不等，本系統(tǒng)為了設計簡單采用全新臺灣HOLUX 公司推出的SIRF 第三代高靈敏度超小型GPS接收模塊這是最新推出的產(chǎn)品，采用SiRF第三代芯片，主要是定位靈敏度大大提高，例如在汽車上應用時，只要靠近車窗就能較好工作，使用更方便，定位也更準確。本模塊主要是提供給從事GPS模塊二次開發(fā)的客戶使用的，GPS 模塊使用3.3 伏（70 毫安）直流工作電壓，默認每秒輸出一次TTL的NMEA-0183 信號。此模塊接口定義如表1 所示。GPS 控制模塊口控制模塊方框圖如圖2 所示。為了使車具有導航系統(tǒng)，所以在車體上安

32、裝了GPS 模塊，本設計采用全新臺灣HOLUX 公司推出的SIRF 第三代高靈敏度超小型GPS接收模塊，該模塊由6 個控制腳組成。為了減輕主控CPU 的負擔，并且為了模塊化硬件，所以該GPS模塊由一塊STC12C2052單片機進行單獨的控制，并且通過74HS573與主單片機進行總線通信。STC12C2052 單片機與GPS通過串行口連接，并且以4800bps的波特率進行通信。單片機的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 端口通過一個反響器與STC12C2052 單片機的P3.7 連接，并且P3.7 口通過一個74HC14與主控單片機的INT0 相連。這樣當P3.7 為低電平時數(shù)據(jù)緩沖器74HC573 的LE 被選通，并且單片機的INT0 為低電平，這樣就可以使用并行