專利名稱：角速率及角度陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種陀螺，特別是一種測量三軸角速率及角度的陀螺， 適用于平臺，運(yùn)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(jī)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(hù)麻煩。
圖i為給傳統(tǒng)陀螺中各芯片供電的電源穩(wěn)壓電路圖。如圖i所示，ui采
用的是開關(guān)電源芯片LT1933， U2釆用穩(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(jī)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(jī)及通訊接口電路。
隨著巿場應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)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(dá)到低功耗、反應(yīng)快、成本低、分辨率高的要求。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利 用微機(jī)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(diǎn)。
為此，本實(shí)用新型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(jī) 械陀螺單元，其中，所述微機(jī)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CPIH十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。
本實(shí)用新型利用微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)測量角速率，與利用機(jī)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(diǎn)。本實(shí)用新型可實(shí)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(qiáng)度， 進(jìn)而增強(qiáng)了整個系統(tǒng)的響應(yīng)時間。釆用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(qiáng)了整個產(chǎn)品的實(shí)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(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
下面通過附圖和實(shí)施例，對本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。


圖l為現(xiàn)有技術(shù)給傳統(tǒng)陀螺中各芯片供電的電源穩(wěn)壓電路圖； 圖2為本實(shí)用新型第一優(yōu)選實(shí)施例的邏輯框圖； 圖3為本實(shí)用新型第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖； 圖4為本實(shí)用新型的一種微機(jī)械陀螺電路圖； 圖5為本實(shí)用新型一種CPU計算單元的電路圖； 圖6為本實(shí)用新型一種A/D轉(zhuǎn)換單元的電路圖； 圖7為本實(shí)用新型一種信號轉(zhuǎn)換單元的電路圖。
附圖標(biāo)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 —ADXRS15G芯片； U5—ARM7TDMI-S微控制器；
U6—AD7739芯片； U7—MAX3488芯片。
具體實(shí)施方式
圖2為本實(shí)用新型第一優(yōu)選實(shí)施例的邏輯框圖。如圖2所示，本實(shí)用新 型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(jī)械陀螺單元Sl,微機(jī)械 陀螺單元Sl為一種電子式的陀螺，體積小，計算速度快，微機(jī)械陀螺單 元Sl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為本實(shí)用新型第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖。本實(shí)施例與第一實(shí)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(biāo)準(zhǔn)角速率及角度數(shù)字信號輸出。
圖4為本實(shí)用新型的一種微機(jī)械陀螺電路圖。本實(shí)施例中，如果微機(jī)械 陀螺單元Sl釆用位于一個軸上的ADXRS150芯片，即可以測量該軸的角速 率；如果微機(jī)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(jī)械陀螺單元Sl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Cll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. 5V腳之間輸出的模擬量的線性變化在-2. 4V-+2. 4V之間。
圖5為本實(shí)用新型一種CPU計算單元的電路圖。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Yl的兩個管腳又分別 通過電容C15和電容C16后接地。本實(shí)用新型中CPU計算單元S3釆用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(shí)現(xiàn)很高的指令吞吐量和實(shí)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(jìn)行計算
俯仰角6=2: coy (dt) +e (temp)
偏航角 cJ; = Scoz(dt) +e (temp)
傾斜角"Scox(dt) +e(temp)
其中，俯仰角速率為coy，偏航角速率為wz,傾斜角速率為cox, t為時 間，e (temp)為即時溫度補(bǔ)償值。
通過以上公式的計算，可得出角度值，從而實(shí)現(xiàn)角速率與角度一起測量 的設(shè)備。
圖6為本實(shí)用新型一種A/D轉(zhuǎn)換單元的電路圖。如圖6所示，本實(shí)用新 型A/D轉(zhuǎn)換單元S2可釆用AD公司的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S - A ADC，具有24-bit無失碼， 轉(zhuǎn)換速率可編程，最大可達(dá)15.4kHz，使用溫度可達(dá)到-4(TC ~ +105°C.
圖7為本實(shí)用新型一種信號轉(zhuǎn)換單元的電路圖。如圖7所示，本實(shí)施例 釆用的信號轉(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(dāng) 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)中釆用模擬輸出的缺 陷。
最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非 限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而 不脫離本實(shí)用新型技術(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(jī)械陀螺單元，其特征在于，所述微機(jī)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l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l所述的角速率及角度陀螺，其特征在于，所述微機(jī) 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l所述的角速率及角度陀螺，其特征在于，所述微機(jī) 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l所述的角速率及角度陀螺，其特征在于，所述微機(jī) 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Cll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l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ARM"DMI-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Yl相連，晶振Yl 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l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H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l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RS"2 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。
專利摘要本實(shí)用新型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(jī)械陀螺單元，所述微機(jī)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。本實(shí)用新型利用微機(jī)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(diǎn)。本實(shí)用新型可實(shí)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(qiáng)度，進(jìn)而增強(qiáng)了整個系統(tǒng)的響應(yīng)時間。
文檔編號G01C19/00GK201072342SQ200620164899
公開日2008年6月11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)明者張澤鋒, 王革命, 谷榮祥 申請人:西安中星測控有限公司