專利名稱：角速率及角度陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陀螺，特別是一種測量三軸角速率及角度的陀螺，適用于平臺，運動控制系統(tǒng)，船舶、車輛的控制，慣性制導(dǎo)與導(dǎo)航，姿態(tài)航向參考系統(tǒng)的角速率及角度測量，屬于傳感器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，測量角速率或測量角度的傳感器都是分開的，只能完成一種測量，而且傳統(tǒng)的測量角速率或角度的傳感器，一般都是使用機械陀螺或光纖陀螺等傳感器，這種傳感器體積大，測量速度慢，功耗高，價格昂貴，維護麻煩。
圖1為給傳統(tǒng)陀螺中各芯片供電的電源穩(wěn)壓電路圖。如圖1所示，U1采用的是開關(guān)電源芯片LT1933，U2采用穩(wěn)壓芯片MAX8880，U3采用三端穩(wěn)壓芯片STX1117。輸入電壓Vin為8～36V，經(jīng)穩(wěn)壓后輸出5V、A+5V及3.3V，5V電壓供應(yīng)微機電陀螺及A/D轉(zhuǎn)換的模擬部分，3.3V電壓供應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換的模擬部分、單片機及通訊接口電路。
隨著市場應(yīng)用范圍的不斷擴大，急需一種能同時測量角速率和角度的傳感器，并且需要傳感器能夠達到低功耗、反應(yīng)快、成本低、分辨率高的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利用微機電系統(tǒng)技術(shù)來測量角速率及角度的陀螺，使得該陀螺具有體積小、成本低、響應(yīng)快、功耗低等優(yōu)點。
為此，本發(fā)明提供了一種角速率及角度陀螺，包括用于給各個單元提供5.5伏或3.3伏電壓的電源穩(wěn)壓電路，A/D轉(zhuǎn)換單元，還包括微機械陀螺單元，其中，所述微機械陀螺單元感應(yīng)的角速率模擬信號經(jīng)所述A/D轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，該數(shù)字信號輸入用于測量的角速率以及解算角度的CPU計算單元。
上述技術(shù)方案中，所述CPU計算單元的輸出信號經(jīng)信號轉(zhuǎn)換單元以RS422接口方式的數(shù)字信號輸出。
本發(fā)明利用微機電系統(tǒng)技術(shù)測量角速率，與利用機械陀螺，光纖陀螺等傳感器作為傳感元件的角速率陀螺相比；具有體積小，成本低，響應(yīng)快，功耗低等優(yōu)點。本發(fā)明可實現(xiàn)一軸、二軸或三軸角速率的測量，能夠在測量一軸、二軸或三軸角速率的同時，解算一軸、二軸或三軸角度，保證20s內(nèi)的角度誤差最大值不大于3°，簡化了后級系統(tǒng)的處理強度，進而增強了整個系統(tǒng)的響應(yīng)時間。采用32位高性能微控制處理器構(gòu)架嵌入式系統(tǒng)，在提高產(chǎn)品數(shù)據(jù)處理能力的基礎(chǔ)上，還增強了整個產(chǎn)品的實時性、可靠性。為了提高產(chǎn)品的抗干擾能力，該產(chǎn)品采取422總線的數(shù)字接口來輸出數(shù)據(jù)，具有可靠性高，傳輸距離遠等優(yōu)點下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。


圖1為本發(fā)明示意圖；圖2為本發(fā)明第一優(yōu)選實施例的邏輯框圖；圖3為本發(fā)明第二實施例的結(jié)構(gòu)框圖；圖4為本發(fā)明的一種微機械陀螺電路圖；圖5為本發(fā)明一種CPU計算單元的電路圖；圖6為本發(fā)明一種A/D轉(zhuǎn)換單元的電路圖；圖7為本發(fā)明一種信號轉(zhuǎn)換單元的電路圖。
附圖標記說明L1-電感；L2-電感； C1至C21-電容；R1至R8-電阻；D1至D2-二極管；Y1至Y2-晶振；U1-LT1933芯片； U2-MAX8880芯片； U3-STX1117芯片；
U4-ADXRS1 50芯片；U5-ARM7TDMI-S微控制器；U6-AD77 39芯片； U7-MAX3488芯片。
具體實施例方式
圖2為本發(fā)明第一優(yōu)選實施例的邏輯框圖。如圖2所示，本發(fā)明為角速率及角度陀螺，包括用于給各個單元提供5.5伏或3.3伏電壓的電源穩(wěn)壓電路S4，A/D轉(zhuǎn)換單元S2，還包括微機械陀螺單元S1，微機械陀螺單元S1為一種電子式的陀螺，體積小，計算速度快，微機械陀螺單元S1感應(yīng)的角速率模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換單元S2轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，該數(shù)字信號輸入用于將測量的角速率解算為角度的CPU計算單元S3。
圖3為本發(fā)明第二實施例的結(jié)構(gòu)框圖。本實施例與第一實施例的區(qū)別在于，CPU計算單元S4的輸出信號經(jīng)信號轉(zhuǎn)換單元S5后以RS422接口方式的標準角速率及角度數(shù)字信號輸出。
圖4為本發(fā)明的一種微機械陀螺電路圖。本實施例中，如果微機械陀螺單元S1采用位于一個軸上的ADXRS150芯片，即可以測量該軸的角速率；如果微機械陀螺單元S1為分別位于兩個軸上的ADXRS150芯片，即可以測量該兩軸的角速率；如果微機械陀螺單元S1為分別位于三個軸上的ADXRS150芯片，即可以測量該三軸的角速率。圖4為一個軸上的ADXRS150的電路圖。如圖4所示，ADXRS150芯片U4的RATEOUT腳與SUMJ腳通過電容C10相連，ADXRS150芯片U4的CMID腳與AGND腳通過電容C11相連，所述AGND腳接地，ADXRS150芯片U4的PDD腳與PGND腳通過電容C14相連，PGND接地，PDD腳接電源穩(wěn)壓電路S4的5伏電壓，ADXRS150芯片U4的CP4腳通過電容C13與CP3腳相連，ADXRS150芯片U4的CP1腳通過電容C12與CP2腳相連，ADXRS150芯片U4的AVCC腳接電源穩(wěn)壓電路S4的5伏電壓。ADXRS150芯片感應(yīng)的角速率分量的變化在-150°每秒至+150°每秒之間，使得ADXRS150芯片U4的AVCC腳輸入為+5V時，RATEOUT腳與2.5 V腳之間輸出的模擬量的線性變化在-2.4V～+2.4V之間。
圖5為本發(fā)明一種CPU計算單元的電路圖。本發(fā)明中CPU計算單元S3采用32位微控制處理器，為philips公司的LPC2100系列微控制處理器ARM7TDMI-S芯片U5，ARM7TDMI-S芯片U5具有高性能和低功耗的特性，這樣使用一個小的、廉價的處理器就可實現(xiàn)很高的指令吞吐量和實時的中斷響應(yīng)。ARM7TDMI-S芯片U5將所測得的角速率值以時間做微分處理，以如下公式進行計算俯仰角θ＝∑ωy(dt)+e(temp)偏航角ψ＝∑ωz(dt)+e(temp)傾斜角γ＝∑ωx(dt)+e(temp)其中，俯仰角速率為ωy，偏航角速率為ωz，傾斜角速率為ωx，t為時間，e(temp)為即時溫度補償值。
通過以上公式的計算，可得出角度值，從而實現(xiàn)角速率與角度一起測量的設(shè)備。
圖6為本發(fā)明一種A/D轉(zhuǎn)換單元的電路圖。如圖6所示，本發(fā)明A/D轉(zhuǎn)換單元S2可采用AD司的AD7739芯片，AD7739芯片U6的2、3腳通過晶振Y2相連，晶振Y2的兩個管腳又分別通過電容C19和電容C20后接地，6腳接所述電源穩(wěn)壓電路的A+5伏電壓后通過電容C17接地，18腳和19腳相連后接地，5腳和23腳接電源穩(wěn)壓電路S4的+5伏電壓后通過電容C18接地。AD7739是一款高精度∑-ΔADC，具有24-bit無失碼，轉(zhuǎn)換速率可編程，最大可達15.4kHz，使用溫度可達到-40℃～+105℃.
圖7為本發(fā)明一種信號轉(zhuǎn)換單元的電路圖。如圖7所示，本實施例采用的信號轉(zhuǎn)換單元S5包括一MAX3488芯片U7和一RS422接口端子JP2，MAX3488芯片U7的端腳1接電源穩(wěn)壓電路S4的3.3伏電壓輸出端，同時又通過一電容C21后接地；MAX3488芯片U7的2腳接ARM7TDMI-S微控制器芯片U5的21腳，MAX3488芯片U7的3腳接ARM7TDMI-S微控制器芯片U5的19腳；MAX3488芯片U7的4腳接地；MAX3488芯片U7的5腳接RS422接口端子JP2的1腳，同時經(jīng)電阻(R7)后接RS422接口端子JP2的2腳，MAX3488芯片U7的6腳接RS422接口端子JP2的2腳，MAX3488芯片U7的7腳接RS422接口端子JP2的3腳，MAX3488芯片U7的8腳接RS422接口端子JP2的4腳，同時MAX3488芯片U7的7、8腳間又通過電阻R8相連。經(jīng)過CPU計算單元S3處理后得到的傾角信號從MAX3488芯片U7的2、3腳輸入，并通過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3488芯片U7轉(zhuǎn)換為RS422接口的數(shù)字信號輸出，當然也可以以其它形式的接口信號輸出，克服了傳統(tǒng)技術(shù)中采用模擬輸出的缺陷。
最后所應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種角速率及角度陀螺，包括用于給各個單元提供5.5伏或3.3伏電壓的電源穩(wěn)壓電路，A/D轉(zhuǎn)換單元，還包括微機械陀螺單元，其特征在于，所述微機械陀螺單元感應(yīng)的角速率模擬信號經(jīng)所述A/D轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，該數(shù)字信號輸入用于測量的角速率以及解算角度的CPU計算單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角速率及角度陀螺，其特征在于，所述CPU計算單元的輸出信號經(jīng)信號轉(zhuǎn)換單元以RS422接口方式的數(shù)字信號輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角速率及角度陀螺，其特征在于，所述微機械陀螺單元為位于一個軸上的ADXRS150芯片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角速率及角度陀螺，其特征在于，所述微機械陀螺單元為分別位于兩個軸上的ADXRS150芯片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角速率及角度陀螺，其特征在于，所述微機械陀螺單元為分別位于三個軸上的ADXRS150芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求3-5任一所述的角速率及角度陀螺，其特征在于，所述ADXRS150芯片的RATEOUT腳與SUMJ腳通過電容(C10)相連，所述ADXRS150芯片的CMID腳與AGND腳通過電容(C11)相連，所述AGND腳接地，所述ADXRS150芯片的PDD腳與PGND腳通過電容(C14)相連，所述PGND接地，所述PDD腳接所述電源穩(wěn)壓電路的5伏電壓，所述ADXRS150芯片的CP4腳通過電容(C13)與CP3腳相連，所述ADXRS150芯片的CP1腳通過電容(C12)與CP2腳相連，所述ADXRS150芯片的AVCC腳接所述電源穩(wěn)壓電路5伏電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角速率及角度陀螺，其特征在于，所述CPU計算單元為32位微控制器的ARM7TDMI-S芯片。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的角速率及角度陀螺，其特征在于，所述ARM7TDMI-S芯片的6腳、25腳、42腳、50腳和59腳接地，7腳、23腳、43腳和51腳接所述電源穩(wěn)壓電路的3.3伏電壓，所述ARM7TDMI-S芯片的17腳通過電阻(R4)與23腳相連，24腳經(jīng)電阻(R5)后接地，43腳與41腳通過電阻(R6)相連，61腳與62腳之間通過測時鐘的晶振(Y1)相連，晶振(Y1)的兩個管腳又分別通過電容(C15)和電容(C16)后接地。
9.根據(jù)權(quán)利要求2或7所述的角速率及角度陀螺，其特征在于，所述信號轉(zhuǎn)換單元包括一MAX3488芯片和一RS422接口端子，所述MAX3488芯片的端腳1接所述電源穩(wěn)壓電路的3.3伏電壓輸出端，同時又通過一電容(C21)后接地；所述MAX3488芯片的2腳接所述ARM7TDMI-S微控制器芯片的21腳，所述MAX3488芯片的3腳接所述ARM7TDMI-S微控制器芯片的19腳；所述MAX3488芯片的4腳接地；所述MAX3488芯片的5腳接所述RS422接口端子的1腳，同時經(jīng)電阻(R7)后接所述RS422接口端子的2腳，所述MAX3488芯片的6腳接所述RS422接口端子的2腳，所述MAX3488芯片的7腳接所述RS422接口端子的3腳，所述MAX3488芯片的8腳接所述RS422接口端子的4腳，同時所述MAX3488芯片的7、8腳間又通過電阻(R8)相連。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的角速率及角度陀螺，其特征在于，所述A/D轉(zhuǎn)換單元為AD7739芯片；所述AD7739芯片的2、3腳通過晶振(Y2)相連，晶振(Y2)的兩個管腳又分別通過電容(C19)和電容(C20)后接地，6腳接所述電源穩(wěn)壓電路的A+5伏電壓后通過電容(C17)接地，18腳和19腳相連后接地，5腳和23腳接所述電源穩(wěn)壓電路的+5伏電壓后通過電容(C18)接地。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種角速率及角度陀螺，包括用于給各個單元提供5.5伏或3.3伏電壓的電源穩(wěn)壓電路，A/D轉(zhuǎn)換單元，還包括微機械陀螺單元，所述微機械陀螺單元感應(yīng)的角速率模擬信號經(jīng)所述A/D轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，該數(shù)字信號輸入用于測量的角速率以及解算角度的CPU計算單元。本發(fā)明利用微機電系統(tǒng)技術(shù)測量角速率，具有體積小，成本低，響應(yīng)快，功耗低等優(yōu)點。本發(fā)明可實現(xiàn)一軸、二軸或三軸角速率的測量，能夠在測量一軸、二軸或三軸角速率的同時，解算一軸、二軸或三軸角度，簡化了后級系統(tǒng)的處理強度，進而增強了整個系統(tǒng)的響應(yīng)時間。
文檔編號G01C19/56GK101021418SQ20061010536
公開日2007年8月22日 申請日期2006年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月30日
發(fā)明者谷榮祥, 王革命, 張澤鋒 申請人:西安中星測控有限公司