一种双模式输出小量程陀螺仪及其制造方法
阅读说明：本技术 一种双模式输出小量程陀螺仪及其制造方法 (Dual-mode output small-range gyroscope and manufacturing method thereof ) 是由 宋丽君 储天 李晴茹 何星 丁有军 于 2021-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种双模式输出小量程MEMS陀螺仪及其制造方法,包括：电源电路、MEMS陀螺仪、温度传感器、AD参考电压电路、微控制器、滤波电路；所述电源电路分别与所述MEMS陀螺仪、温度传感器、AD参考电压电路和所述微控制器连接；所述微控制器与所述MEMS陀螺仪、温度传感器、AD参考电压电路和所述滤波电路连接；本发明补偿后的角速率既可模拟输出,也可数字输出,主要针对数字用户,能够提高整个系统的工作性能和性价比。(The invention discloses a double-mode output small-range MEMS gyroscope and a manufacturing method thereof, wherein the double-mode output small-range MEMS gyroscope comprises the following steps: the device comprises a power supply circuit, an MEMS gyroscope, a temperature sensor, an AD reference voltage circuit, a microcontroller and a filter circuit; the power supply circuit is respectively connected with the MEMS gyroscope, the temperature sensor, the AD reference voltage circuit and the microcontroller; the microcontroller is connected with the MEMS gyroscope, the temperature sensor, the AD reference voltage circuit and the filter circuit; the angular rate compensated by the invention can be output in an analog mode and in a digital mode, and the working performance and the cost performance of the whole system can be improved mainly aiming at digital users.)
技术领域
本发明涉及MEMS技术领域，特别是涉及一种双模式输出小量程陀螺仪及其制造方法。
背景技术
陀螺仪是惯性导航系统的核心器件。微机械陀螺仪，即MEMS(Micro ElectroMechanical systems)陀螺仪，是一种典型的角速度微传感器，由于其尺寸小、功耗低和加工方便等优势在消费电子市场有着非常广泛的应用。近年来随着MEMS陀螺仪性能的逐步提升，广泛应用于汽车、工业、虚拟现实、导航、定位和追踪中。
目前，市面上出现了各种以微电子机械技术和纳米技术制造的微机械陀螺仪。常见的结构类型有音叉式、框架式和振动轮式等。MEMS陀螺仪具有微型化、智能化、多功能、高性能、高度集成、价格低等特点。
乔治亚理工大学研究的音叉式陀螺仪，在带宽12Hz内，灵敏度为1.25mV/°/s，理论布朗噪声基底为日本研究的双框架式谐振陀螺仪尺寸为10mm×10mm×10mm，其测试的灵敏度为0.87mV/rad/s，测量范围为±360°/s时非线性度小于1％；美国的Delphi实验室研究出尺寸为17mm×5mm的振动环式陀螺仪，用硅和玻璃键合(SOG)可以把寄生电容降到最小，从而提高灵敏度(132mV/°/s)。
然而，上述这些音叉式、框架式和振动轮式陀螺仪，在现有技术下存在加工工艺误差、信号检测误差、环境温度的变化引起的误差等。MEMS陀螺仪相较以上三种陀螺仪，MEMS谐振器可以代替石英晶振作为计时器，通过合理设计支撑弹簧和质量块上的释放孔的尺寸，使由于加工导致的有效弹簧常数的变化和有效质量的变化保持平衡,来保证有效弹簧常数的变化和有效质量变化的比值保持不变即Δk/Δm为定值，谐振器的谐振频率保持不变。从而以它微型化所受结构和加工工艺误差影响较小；智能化受信号检测误差较低以及多功能高性能从而减少误差对于陀螺精度的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种双模式输出小量程陀螺仪及其制造方法，能够提高整个系统的工作性能和性价比。
为实现上述目的，本发明提供一种双模式输出小量程MEMS陀螺仪，包括：电源电路、MEMS陀螺仪、温度传感器、AD参考电压电路、微控制器、滤波电路；所述电源电路分别与所述MEMS陀螺仪、温度传感器、AD参考电压电路和所述微控制器连接；所述微控制器分别与所述MEMS陀螺仪、温度传感器、AD参考电压电路、电源电路和所述滤波电路连接；
所述电源电路，用于给所述MEMS陀螺仪、温度传感器、AD参考电压电路和所述微控制器供电；
所述MEMS陀螺仪，用于获得惯性导航装置的角速度信号；
所述AD参考电压电路，用于对所述微控制器提供基准参考电压；
所述温度传感器，用于监测所述MEMS陀螺仪内部的温度信号并对所述MEMS陀螺仪的输出信号进行温度补偿；
所述微控制器，用于对所述MEMS陀螺仪的输出信号进行分析处理，得到处理后的模拟信号和数字信号；
所述滤波电路，用于滤除所述微控制器中模拟信号的高频噪声，输出模拟电压信号。
优选的，所述MEMS陀螺仪采用ESPON公司的角速率传感器XV-8000CB。
优选的，所述微控制器采用美国ADI公司与8052兼容的8位单片机ADUC841。
优选的，所述电源电路的供电电压为5V。
优选的，所述微控制器，包括：下载电路、复位电路和晶振电路；所述下载电路、复位电路和所述晶振电路均与所述微控制器的引脚相连接；
所述下载电路，用于将PC机的程序下载到所述微控制器中；所述复位电路，用于在上电或复位过程中控制所述微控制器的复位状态；所述晶振电路，用于为所述微控制器提供最基本的时钟信号。
优选的，所述滤波电路采用一阶有源低通滤波电路。
一种双模式输出小量程MEMS陀螺仪的制造方法，具体包括以下步骤：
S1、构建双模式输出小量程MEMS陀螺仪的硬件电路模型，并制成对应的PCB板；
S2、基于所述硬件电路模型，构建双模式输出小量程MEMS陀螺仪的软件程序模型；
S3、利用LabVIEW构建上位机测试软件；
S4、利用所述上位机测试软件对所述硬件电路模型、软件程序模型进行调试，使所述双模式输出小量程MEMS陀螺仪能够正常工作。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
本发明采用ESPON公司的角速率传感器XV-8000CB，具有较强的抗震动和电磁干扰性能；采用软件算法对温度、线性度和安装误差的影响进行标定补偿，能够自行标定；本发明补偿后的角速率既可模拟输出，也可数字输出，主要针对数字用户。综上，本发明能够提高整个系统的工作性能和性价比。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明硬件电路示意图；
图2为本发明软件程序模型图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
参照图1所示，本发明提供一种双模式输出小量程MEMS陀螺仪，包括：电源电路、MEMS陀螺仪、温度传感器、AD参考电压电路、微控制器、滤波电路；所述电源电路分别与所述MEMS陀螺仪、温度传感器、AD参考电压电路和所述微控制器连接；所述微控制器分别与所述MEMS陀螺仪、温度传感器、AD参考电压电路、电源电路和所述滤波电路连接；
所述电源电路，用于给所述MEMS陀螺仪、温度传感器、AD参考电压电路和所述微控制器供电；所述电源电路的供电电压为5V。
所述MEMS陀螺仪，用于获得惯性导航装置的角速度信号；本发明选择ESPON公司的角速率传感器XV-8000CB，是ESPON公司生产的一款电子式陀螺仪，具有操作和存储温度高，可靠性高，超小型重量轻，采用原始的双T结构石英晶体元件，具有出色的抗冲击和抗振动性能。
所述AD参考电压电路，用于对所述微控制器提供基准参考电压；
所述温度传感器，用于监测所述MEMS陀螺仪内部的温度信号并对所述MEMS陀螺仪的输出信号进行温度补偿；
所述微控制器，用于对所述MEMS陀螺仪的输出信号进行分析处理，得到处理后的模拟信号和数字信号；本发明微控制器采用的是ADUC841，即美国ADI公司推出的一款与8052兼容的8位单片机，
其内部集成了包括12位ADC在内的丰富外设，它在单个芯片内集成了高性能的自校准8通道12位ADC，两个12位电压输出ADC以及丰富的外设。MCU具有包括看门狗定时器、电源监视器和DMA功能，提供62kb片内FLASH/EE程序存储器、4kb片内FLASH/EE数据存储器、2304B的RAM。另外提供了32条可编程的I/O线、I2C兼容的SPI和标准UART串行口I/O。具有适合于低功率应用的灵活电源管理方案，MCU内核和模拟转换器二者均由正常、空闲和掉电工作模式，是一款高性能的单片机，目前广泛应用于测控系统和仪器仪表中。
所述滤波电路，用于滤除所述微控制器中模拟信号的高频噪声，输出模拟电压信号。通过一阶有源低通滤波电路滤除电路中的高频噪声，输出模拟电压信号；通过ADuC841单片机的UART串口输出数字信号。
所述微控制器，包括：下载电路、复位电路和晶振电路；所述下载电路、复位电路和所述晶振电路均与所述微控制器的引脚相连接；
所述下载电路，用于将PC机的程序下载到所述微控制器中；从PC机下载程序到ADuC841，除了要有基本的UART连接，还需要将ADuC841的PSEN引脚经过一个电阻接地。在器件上电或复位前通过跳线保持连接，此时单片机处于下载模式，器件可以通过串行接口接收代码。下载完成后，断开跳线，在器件上电或复位后，系统程序从指定位置开始执行。
所述复位电路，与ADuC841中复位接口相连接，数字输入信号作用在上电或复位过程中控制所述微控制器的复位状态；当振荡器运行时，这个引脚上的高电平为24个主时钟周期重置设备。
所述晶振电路，用于为所述微控制器提供最基本的时钟信号。ADuC841内部有一个高增益的反相放大器，芯片的引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与反馈元件的外接晶体或陶瓷振荡器一起构成振荡器，为单片机提供最基本的时钟信号。
基于此，本发明还提供一种双模式输出小量程MEMS陀螺仪的制造方法，具体包括以下步骤：
S1、构建双模式输出小量程MEMS陀螺仪的硬件电路模型，并制成对应的PCB板；
S2、基于所述硬件电路模型，构建双模式输出小量程MEMS陀螺仪的软件程序模型；
参照图2所示，所述软件程序模型，包括：系统初始化、A/D转换程序、误差补偿、低通滤波。程序开始进行系统初始化，以保证每次的数据处理正确。经过12位A/D转换程序将采集到的角速度信号转化为模拟信号，然后经过对于和正确信号比较的误差补偿修正信号，最后经过滤波电路低通滤波进行模拟输出。通过软件程序设计，MEMS陀螺仪的信号处理系统可以正常采集角速度信号，结果A/D转换和数据处理后，通过D/A转换为模拟信号输出和通过UART串口输出数字信号给上位机，由上位机进行观察监测。
S3、利用LabVIEW构建上位机测试软件；
所述上位机测试软件，包括：软件登录、串口通信、数据处理显示。数据存储及回访。进入上位机软件登陆后，有串口通信、数据处理显示及数据存储及回访的模块，各模块之间的数据传递通过数据流，局部变量等完成。MEMS陀螺仪上位机软件采用NI公司的LabVIEW2014作为软件开发平台设计而成。程序既可以在LabVIEW2014平台下调试运行，也可生成可执行程序在windows平台下执行。根据系统实际功能划分为不同的功能模块，各个模块之间相互结合，可以实现MEMS陀螺仪输出数据的实时接收处理显示，并将数据进行存储。程序采用模块化的设计思想使得程序易于修改和完善，图形化的G语言代码使得程序的可读性非常高。
S4、利用所述上位机测试软件对所述硬件电路模型、软件程序模型进行调试，使所述双模式输出小量程MEMS陀螺仪能够正常工作。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
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