基于σ-δ型ad石英表加速度采集系统及采集方法
阅读说明：本技术 基于σ-δ型ad石英表加速度采集系统及采集方法 (Acceleration acquisition system and acquisition method based on sigma-delta type AD quartz watch ) 是由 冯欢 王二伟 于 2019-09-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及基于Σ-Δ型AD石英表加速度采集系统及采集方法,为一种应用于平台系统的石英表加速度采集系统,特别是采用Σ-Δ型AD的石英表加速度采集系统。该采集系统包括切换电路、大量程采样电阻、中量程采样电阻、小量程采样电阻、前置放大电路、Σ-Δ型AD采集电路、温控电路、FPGA控制电路、串口输出电路和系统电源；通过该采集系统提高了系统对微小电流的响应速度,使平台可实时识别当前位置加速度状态,减少了平台系统中调平时间,有利于缩短发射准备时间。(The invention relates to a quartz watch acceleration acquisition system and method based on sigma-delta type AD (analog-to-digital) and is applied to a quartz watch acceleration acquisition system of a platform system, in particular to a quartz watch acceleration acquisition system adopting sigma-delta type AD. The acquisition system comprises a switching circuit, a large-range sampling resistor, a medium-range sampling resistor, a small-range sampling resistor, a pre-amplification circuit, a sigma-delta type AD acquisition circuit, a temperature control circuit, an FPGA control circuit, a serial port output circuit and a system power supply; the acquisition system improves the response speed of the system to micro current, so that the platform can identify the acceleration state of the current position in real time, reduce the leveling time in the platform system and be beneficial to shortening the emission preparation time.)
技术领域
本发明涉及基于Σ-Δ型AD石英表加速度采集系统及采集方法，为一种应用于平台系统的石英表加速度采集系统，特别是采用Σ-Δ型AD的石英表加速度采集系统。
背景技术
石英表加速度计是测量运动载体线加速度的主要部件，其测量响应速度和准确度直接影响影响惯性导航的精度。加速度计采集电路作为加速度计测量系统的一部分将直接影响加速度信息的准确度。传统石英表加速度采集系统采用I/F电路方式，使用搭建的模拟电路将输出电流转换成频率脉冲输出，具有信号阈值较大，抗干扰能力强的特点。但是，I/F电路模拟器件多，体积偏大，在小电流输入时脉冲数输出时间偏长，响应速度较慢，因而调平时间较长。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足之处，提供基于Σ-Δ型AD石英表加速度采集系统及采集方法，该系统采用Σ-Δ型AD代替模拟器件组成的I/F测量电路，从而克服了石英表采集电路体积偏大，响应速度较慢，平台系统中量程时间过长的缺点。
本发明的技术解决方案是：
基于Σ-Δ型AD石英表加速度采集系统，该采集系统包括切换电路、大量程采样电阻、中量程采样电阻、小量程采样电阻、前置放大电路、Σ-Δ型AD采集电路、温控电路、FPGA控制电路、串口输出电路和系统电源；
大量程采样电阻、中量程采样电阻、小量程采样电阻均为高精度低温漂电阻；
当石英表加速度计输出的电流变化范围为-50mA到+50mA时，切换电路与大量程采样电阻相连通；
当石英表加速度计输出的电流变化范围为-1.25mA到+1.25mA时，切换电路与中量程采样电阻相连通；
当石英表加速度计输出的电流变化范围为-0.125mA到+0.125mA时，切换电路与小量程采样电阻相连通；
Σ-Δ型AD采集电路中的芯片采用Σ-Δ型AD；
串口输出电路为RS485转换接口；
系统电源用于给切换电路、前置放大电路、Σ-Δ型AD采集电路、温控电路、FPGA控制电路和串口输出电路提供工作电压；
温控电路用于采集Σ-Δ型AD采集电路的温度，并将采集到的温度信号输出给FPGA控制电路，FPGA控制电路根据接收到的温度信号与设定温度阈值进行比较，如果接收到的温度信号不小于设定温度阈值，则温控电路不进行加热，如果接收到的温度信号小于设定温度阈值，则温控电路进行加热，使得温度信号与设定温度阈值一致；
切换电路为多个单刀双掷开关，用于将石英表加速度计输出的电流信号切换至大量程采样电阻、中量程采样电阻或小量程采样电阻；
大量程采样电阻、中量程采样电阻或小量程采样电阻用于将石英表加速度计输出的电流信号转换为电压信号，并将转换后的电压信号输出值前置放大电路；
前置放大电路用于接收大量程采样电阻、中量程采样电阻或小量程采样电阻输出的电压信号，并将接收到的电压信号进行放大后输出Σ-Δ型AD采集电路；
Σ-Δ型AD采集电路用于接收前置放大电路输出的电压信号，并将接收到的电压信号转换成数字信号输出给FPGA控制电路；
FPGA控制电路用于接收Σ-Δ型AD采集电路输出的数字信号，并将接收到的数字信号输出给串口输出电路；
串口输出电路将用于接收FPGA控制电路输出的数字信号，并将接收到的数字信号进行输出。
基于Σ-Δ型AD石英表加速度采集方法，该方法的步骤包括：
(1)石英表加速度计输出的电流通过切换电路接入采样电阻转换为电压信号，不同的采样电阻分别对应大量程、中量程、小量程三种状态，切换电路通过单刀双掷开关将电流引入不同的采样电阻；
(2)通过前置放大电路对电压信号进行放大后，采用Σ-Δ型AD采集电路对放大后的电压信号累计采样，以保证石英表加速度计输出信息完整无丢失，累计采样后的电压信号输出给FPGA控制电路；
温控电路采集Σ-Δ型AD采集电路的环境温度信息，并通过加热片将工作温度维持在一个设定的温度下；
(3)FPGA控制电路将累计采样后的电压信号通过串口输出电路输出至平台控制电路。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)石英表加速度采集系统采用Σ-Δ型AD转换，提高了对加速度的分辨率；
(2)相较于传统的I/F转换电路，Σ-Δ型AD转换电路体积较小，降低了整体电路体积，使其可放置于台体内部；
(3)提高了系统对微小电流的响应速度，使平台可实时识别当前位置加速度状态，减少了平台系统中量程时间，有利于缩短发射准备时间。
(4)石英表输出电流通过接口输入至切换电路，由切换电路选择采样电阻以对应不同的检测状态，电流由采样电阻转化为电压信号后，进入前置放大电路，将电压缩放至合适的AD采集范围，由Σ-Δ型AD转换为数字信号，FPGA读取采集信号之后，以串口的形式传输至平台控制电路，FPGA实时进行温度采集控制，以保证采集系统工作在恒温状态下。
附图说明
图1是本发明基于Σ-Δ型AD石英表加速度采集系统电路结构组成示意图。
具体实施方式
所述的切换电路模块包括三种不同的档位，分别对应大量程、中量程、小量程三种状态，切换电路通过单刀双掷开关，将电流接入不同阻值的采样电阻。
采样电阻为高精度低温漂电阻，阻值受外界影响较小。
所选用AD芯片为Σ-Δ型AD，可实现对信号累计采样，保证石英表信息无丢失。
温控电路可采集采集系统的温度信息，并通过加热片将系统工作温度维持在一个稳定的温度下。
基于Σ-Δ型AD石英表加速度采集系统，石英表输出电流输入至低温漂高精度采样电阻，完成电流至电压的信号转换；切换电路由FPGA控制，将电流导入不同的采样电阻，实现检测状态的转换；信号前置放大电路将所得电压信号缩放至AD输入电压范围；Σ-Δ型AD将模拟电压信号转换为数字信号，并由FPGA读取；温控电路利用热敏铂电阻采集电路运行温度，并用加热片对电路进行温度保持；FPGA综合控制切换电路、AD数据采集、运行温度控制，并通过串口将导航数据传输至平台控制电路。本发明降低了石英表采集电路的体积，提高了响应速度，减少了平台系统中量程时间。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例
如图1所示，基于Σ-Δ型AD石英表加速度采集系统，该采集系统包括切换电路、大量程采样电阻、中量程采样电阻、小量程采样电阻、前置放大电路、Σ-Δ型AD采集电路、温控电路、FPGA控制电路、串口输出电路和系统电源；
大量程采样电阻、粗中量程采样电阻、小量程采样电阻均为高精度低温漂电阻；
当石英表加速度计输出的电流变化范围为-50mA到+50mA时，切换电路与大量程采样电阻相连通；
当石英表加速度计输出的电流变化范围为-1.25mA到+1.25mA时，切换电路与中量程采样电阻相连通；
当石英表加速度计输出的电流变化范围为-0.125mA到+0.125mA时，切换电路与小量程采样电阻相连通；
Σ-Δ型AD采集电路中的芯片采用Σ-Δ型AD；
串口输出电路为RS485转换接口；
系统电源用于给切换电路、前置放大电路、Σ-Δ型AD采集电路、温控电路、FPGA控制电路和串口输出电路提供工作电压；
温控电路用于采集Σ-Δ型AD采集电路的温度，并将采集到的温度信号输出给FPGA控制电路，FPGA控制电路根据接收到的温度信号与设定温度阈值进行比较，如果接收到的温度信号不小于设定温度阈值，则温控电路不进行加热，如果接收到的温度信号小于设定温度阈值，则温控电路进行加热，使得温度信号与设定温度阈值一致；
切换电路为多个单刀双掷开关，用于将石英表加速度计输出的电流信号切换至大量程采样电阻、中量程采样电阻或小量程采样电阻；
大量程采样电阻、中量程采样电阻或小量程采样电阻用于将石英表加速度计输出的电流信号转换为电压信号，并将转换后的电压信号输出值前置放大电路；
前置放大电路用于接收大量程采样电阻、中量程采样电阻或小量程采样电阻输出的电压信号，并将接收到的电压信号进行放大后输出Σ-Δ型AD采集电路；
Σ-Δ型AD采集电路用于接收前置放大电路输出的电压信号，并将接收到的电压信号转换成数字信号输出给FPGA控制电路；
FPGA控制电路用于接收Σ-Δ型AD采集电路输出的数字信号，并将接收到的数字信号输出给串口输出电路；
串口输出电路将用于接收FPGA控制电路输出的数字信号，并将接收到的数字信号进行输出。
基于Σ-Δ型AD石英表加速度采集方法，该方法的步骤包括：
(1)将电流范围为-50mA～50mA石英表输入电流输入至石英表加速度采集系统，由输入接口连接至切换继电器，切换继电器由FPGA控制电路控制工作状态，将大量程(-50mA～50mA)状态下的石英表输入电流连接至大量程采样电阻，将中量程(-1.25mA～1.25mA)状态下的石英表输入电流连接至中量程采样电阻，将微小(-0.125mA～0.125mA)石英表输入电流连接至小量程采样电阻，由此将电流信号转换为电压信号。切换继电器可根据实际使用情况保留几种或仅使用大量程转换方式。
(2)将转换后的电压信号输入至前置放大电路，前置放大电路根据Σ-Δ型AD转换电路的量程范围选取相应的放大倍数。Σ-Δ型AD转换电路转换位数为不小于24位的AD转换芯片，以保证对石英表输入电流高精度测量，满足导航识别需求。
(3)在完成模数转换后，由FPGA控制电路读取Σ-Δ型AD转换电路寄存器中的数据，并将其按照一定格式通过RS485转换接口发送至下一级系统。
(4)温控电路采集Σ-Δ型AD转换电路的环境温度，并将其反馈至FPGA控制电路。FPGA控制电路可根据实际使用状态，使用温度信息对AD采集数据进行补偿，或将加温信息输出至温控电路使Σ-Δ型AD转换电路运行在恒温环境下。
(5)系统电源包括+5V电源、石英表±15V电源和加温+28V电源。+5V电源用于FPGA控制电路和Σ-Δ型AD转换电路数字电路供电，石英表±15V电源用于前置放大电路、温控电路温度采集电路和Σ-Δ型AD转换电路模拟电路供电，加温+28V电源用于温控电路加温功率电路和切换继电器供电。