专利名称：角速率及角度陀螺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种陀螺，特别是一种测量三轴角速率及角度的陀螺，适用于平台，运动控制系统，船舶、车辆的控制，惯性制导与导航，姿态航向参考系统的角速率及角度测量，属于传感器领域。
背景技术：
目前，测量角速率或测量角度的传感器都是分开的，只能完成一种测量，而且传统的测量角速率或角度的传感器，一般都是使用机械陀螺或光纤陀螺等传感器，这种传感器体积大，测量速度慢，功耗高，价格昂贵，维护麻烦。
图1为给传统陀螺中各芯片供电的电源稳压电路图。如图1所示，U1采用的是开关电源芯片LT1933，U2采用稳压芯片MAX8880，U3采用三端稳压芯片STX1117。输入电压Vin为8～36V，经稳压后输出5V、A+5V及3.3V，5V电压供应微机电陀螺及A/D转换的模拟部分，3.3V电压供应A/D转换的模拟部分、单片机及通讯接口电路。
随着市场应用范围的不断扩大，急需一种能同时测量角速率和角度的传感器，并且需要传感器能够达到低功耗、反应快、成本低、分辨率高的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，提供一种利用微机电系统技术来测量角速率及角度的陀螺，使得该陀螺具有体积小、成本低、响应快、功耗低等优点。
为此，本发明提供了一种角速率及角度陀螺，包括用于给各个单元提供5.5伏或3.3伏电压的电源稳压电路，A/D转换单元，还包括微机械陀螺单元，其中，所述微机械陀螺单元感应的角速率模拟信号经所述A/D转换单元转换成数字信号输出，该数字信号输入用于测量的角速率以及解算角度的CPU计算单元。
上述技术方案中，所述CPU计算单元的输出信号经信号转换单元以RS422接口方式的数字信号输出。
本发明利用微机电系统技术测量角速率，与利用机械陀螺，光纤陀螺等传感器作为传感元件的角速率陀螺相比；具有体积小，成本低，响应快，功耗低等优点。本发明可实现一轴、二轴或三轴角速率的测量，能够在测量一轴、二轴或三轴角速率的同时，解算一轴、二轴或三轴角度，保证20s内的角度误差最大值不大于3°，简化了后级系统的处理强度，进而增强了整个系统的响应时间。采用32位高性能微控制处理器构架嵌入式系统，在提高产品数据处理能力的基础上，还增强了整个产品的实时性、可靠性。为了提高产品的抗干扰能力，该产品采取422总线的数字接口来输出数据，具有可靠性高，传输距离远等优点下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明示意图；图2为本发明第一优选实施例的逻辑框图；图3为本发明第二实施例的结构框图；图4为本发明的一种微机械陀螺电路图；图5为本发明一种CPU计算单元的电路图；图6为本发明一种A/D转换单元的电路图；图7为本发明一种信号转换单元的电路图。
附图标记说明L1-电感；L2-电感； C1至C21-电容；R1至R8-电阻；D1至D2-二极管；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。
具体实施例方式
图2为本发明第一优选实施例的逻辑框图。如图2所示，本发明为角速率及角度陀螺，包括用于给各个单元提供5.5伏或3.3伏电压的电源稳压电路S4，A/D转换单元S2，还包括微机械陀螺单元S1，微机械陀螺单元S1为一种电子式的陀螺，体积小，计算速度快，微机械陀螺单元S1感应的角速率模拟信号经A/D转换单元S2转换成数字信号输出，该数字信号输入用于将测量的角速率解算为角度的CPU计算单元S3。
图3为本发明第二实施例的结构框图。本实施例与第一实施例的区别在于，CPU计算单元S4的输出信号经信号转换单元S5后以RS422接口方式的标准角速率及角度数字信号输出。
图4为本发明的一种微机械陀螺电路图。本实施例中，如果微机械陀螺单元S1采用位于一个轴上的ADXRS150芯片，即可以测量该轴的角速率；如果微机械陀螺单元S1为分别位于两个轴上的ADXRS150芯片，即可以测量该两轴的角速率；如果微机械陀螺单元S1为分别位于三个轴上的ADXRS150芯片，即可以测量该三轴的角速率。图4为一个轴上的ADXRS150的电路图。如图4所示，ADXRS150芯片U4的RATEOUT脚与SUMJ脚通过电容C10相连，ADXRS150芯片U4的CMID脚与AGND脚通过电容C11相连，所述AGND脚接地，ADXRS150芯片U4的PDD脚与PGND脚通过电容C14相连，PGND接地，PDD脚接电源稳压电路S4的5伏电压，ADXRS150芯片U4的CP4脚通过电容C13与CP3脚相连，ADXRS150芯片U4的CP1脚通过电容C12与CP2脚相连，ADXRS150芯片U4的AVCC脚接电源稳压电路S4的5伏电压。ADXRS150芯片感应的角速率分量的变化在-150°每秒至+150°每秒之间，使得ADXRS150芯片U4的AVCC脚输入为+5V时，RATEOUT脚与2.5 V脚之间输出的模拟量的线性变化在-2.4V～+2.4V之间。
图5为本发明一种CPU计算单元的电路图。本发明中CPU计算单元S3采用32位微控制处理器，为philips公司的LPC2100系列微控制处理器ARM7TDMI-S芯片U5，ARM7TDMI-S芯片U5具有高性能和低功耗的特性，这样使用一个小的、廉价的处理器就可实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应。ARM7TDMI-S芯片U5将所测得的角速率值以时间做微分处理，以如下公式进行计算俯仰角θ＝∑ωy(dt)+e(temp)偏航角ψ＝∑ωz(dt)+e(temp)倾斜角γ＝∑ωx(dt)+e(temp)其中，俯仰角速率为ωy，偏航角速率为ωz，倾斜角速率为ωx，t为时间，e(temp)为即时温度补偿值。
通过以上公式的计算，可得出角度值，从而实现角速率与角度一起测量的设备。
图6为本发明一种A/D转换单元的电路图。如图6所示，本发明A/D转换单元S2可采用AD司的AD7739芯片，AD7739芯片U6的2、3脚通过晶振Y2相连，晶振Y2的两个管脚又分别通过电容C19和电容C20后接地，6脚接所述电源稳压电路的A+5伏电压后通过电容C17接地，18脚和19脚相连后接地，5脚和23脚接电源稳压电路S4的+5伏电压后通过电容C18接地。AD7739是一款高精度∑-ΔADC，具有24-bit无失码，转换速率可编程，最大可达15.4kHz，使用温度可达到-40℃～+105℃.
图7为本发明一种信号转换单元的电路图。如图7所示，本实施例采用的信号转换单元S5包括一MAX3488芯片U7和一RS422接口端子JP2，MAX3488芯片U7的端脚1接电源稳压电路S4的3.3伏电压输出端，同时又通过一电容C21后接地；MAX3488芯片U7的2脚接ARM7TDMI-S微控制器芯片U5的21脚，MAX3488芯片U7的3脚接ARM7TDMI-S微控制器芯片U5的19脚；MAX3488芯片U7的4脚接地；MAX3488芯片U7的5脚接RS422接口端子JP2的1脚，同时经电阻(R7)后接RS422接口端子JP2的2脚，MAX3488芯片U7的6脚接RS422接口端子JP2的2脚，MAX3488芯片U7的7脚接RS422接口端子JP2的3脚，MAX3488芯片U7的8脚接RS422接口端子JP2的4脚，同时MAX3488芯片U7的7、8脚间又通过电阻R8相连。经过CPU计算单元S3处理后得到的倾角信号从MAX3488芯片U7的2、3脚输入，并通过电平转换芯片MAX3488芯片U7转换为RS422接口的数字信号输出，当然也可以以其它形式的接口信号输出，克服了传统技术中采用模拟输出的缺陷。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
权利要求
1.一种角速率及角度陀螺，包括用于给各个单元提供5.5伏或3.3伏电压的电源稳压电路，A/D转换单元，还包括微机械陀螺单元，其特征在于，所述微机械陀螺单元感应的角速率模拟信号经所述A/D转换单元转换成数字信号输出，该数字信号输入用于测量的角速率以及解算角度的CPU计算单元。
2.根据权利要求1所述的角速率及角度陀螺，其特征在于，所述CPU计算单元的输出信号经信号转换单元以RS422接口方式的数字信号输出。
3.根据权利要求1所述的角速率及角度陀螺，其特征在于，所述微机械陀螺单元为位于一个轴上的ADXRS150芯片。
4.根据权利要求1所述的角速率及角度陀螺，其特征在于，所述微机械陀螺单元为分别位于两个轴上的ADXRS150芯片。
5.根据权利要求1所述的角速率及角度陀螺，其特征在于，所述微机械陀螺单元为分别位于三个轴上的ADXRS150芯片。
6.根据权利要求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脚与SUMJ脚通过电容(C10)相连，所述ADXRS150芯片的CMID脚与AGND脚通过电容(C11)相连，所述AGND脚接地，所述ADXRS150芯片的PDD脚与PGND脚通过电容(C14)相连，所述PGND接地，所述PDD脚接所述电源稳压电路的5伏电压，所述ADXRS150芯片的CP4脚通过电容(C13)与CP3脚相连，所述ADXRS150芯片的CP1脚通过电容(C12)与CP2脚相连，所述ADXRS150芯片的AVCC脚接所述电源稳压电路5伏电压。
7.根据权利要求1所述的角速率及角度陀螺，其特征在于，所述CPU计算单元为32位微控制器的ARM7TDMI-S芯片。
8.根据权利要求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脚、25脚、42脚、50脚和59脚接地，7脚、23脚、43脚和51脚接所述电源稳压电路的3.3伏电压，所述ARM7TDMI-S芯片的17脚通过电阻(R4)与23脚相连，24脚经电阻(R5)后接地，43脚与41脚通过电阻(R6)相连，61脚与62脚之间通过测时钟的晶振(Y1)相连，晶振(Y1)的两个管脚又分别通过电容(C15)和电容(C16)后接地。
9.根据权利要求2或7所述的角速率及角度陀螺，其特征在于，所述信号转换单元包括一MAX3488芯片和一RS422接口端子，所述MAX3488芯片的端脚1接所述电源稳压电路的3.3伏电压输出端，同时又通过一电容(C21)后接地；所述MAX3488芯片的2脚接所述ARM7TDMI-S微控制器芯片的21脚，所述MAX3488芯片的3脚接所述ARM7TDMI-S微控制器芯片的19脚；所述MAX3488芯片的4脚接地；所述MAX3488芯片的5脚接所述RS422接口端子的1脚，同时经电阻(R7)后接所述RS422接口端子的2脚，所述MAX3488芯片的6脚接所述RS422接口端子的2脚，所述MAX3488芯片的7脚接所述RS422接口端子的3脚，所述MAX3488芯片的8脚接所述RS422接口端子的4脚，同时所述MAX3488芯片的7、8脚间又通过电阻(R8)相连。
10.根据权利要求1或8所述的角速率及角度陀螺，其特征在于，所述A/D转换单元为AD7739芯片；所述AD7739芯片的2、3脚通过晶振(Y2)相连，晶振(Y2)的两个管脚又分别通过电容(C19)和电容(C20)后接地，6脚接所述电源稳压电路的A+5伏电压后通过电容(C17)接地，18脚和19脚相连后接地，5脚和23脚接所述电源稳压电路的+5伏电压后通过电容(C18)接地。
全文摘要
本发明涉及一种角速率及角度陀螺，包括用于给各个单元提供5.5伏或3.3伏电压的电源稳压电路，A/D转换单元，还包括微机械陀螺单元，所述微机械陀螺单元感应的角速率模拟信号经所述A/D转换单元转换成数字信号输出，该数字信号输入用于测量的角速率以及解算角度的CPU计算单元。本发明利用微机电系统技术测量角速率，具有体积小，成本低，响应快，功耗低等优点。本发明可实现一轴、二轴或三轴角速率的测量，能够在测量一轴、二轴或三轴角速率的同时，解算一轴、二轴或三轴角度，简化了后级系统的处理强度，进而增强了整个系统的响应时间。
文档编号G01C19/56GK101021418SQ20061010536
公开日2007年8月22日 申请日期2006年12月30日 优先权日2006年12月30日
发明者谷荣祥, 王革命, 张泽锋 申请人:西安中星测控有限公司