近年來隨著MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)的發(fā)展,，MEMS陀螺儀的研究與發(fā)展受到了廣泛的重視,。MEMS陀螺儀具有體積少、重量輕,、可靠性好,、易于系統(tǒng)集成等優(yōu)點，應(yīng)用范圍廣闊,。但是目前MEMS陀螺儀的精度還不是很高,，要想大范圍應(yīng)用必須對MEMS陀螺儀的信號進(jìn)行處理。

 

    本文選用TI公司的TMS320VC33作為MEMS陀螺儀信號處理平臺的核心芯片,，同時引入DSP／BIOS實時操作系統(tǒng)提供的多任務(wù)處理機(jī)制,，在對陀螺儀信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的間隙同時對先采集來的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和傳輸，確保數(shù)據(jù)采集和處理的實時性,，大大提高了信號處理平臺的工作效率,，在高速實時數(shù)據(jù)采集和處理領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價值。

 

1 MEMS陀螺儀信號處理平臺的硬件結(jié)構(gòu)

 

1．1 信號處理平臺的硬件結(jié)構(gòu)及工作原理

 

    MEMS陀螺儀信號的處理平臺的硬件系統(tǒng)應(yīng)該包括以下幾個部分：DSP模塊,，數(shù)據(jù)采集模塊,，上位機(jī)通信模塊和JTAG調(diào)試接口模塊。

 

    數(shù)據(jù)采集模塊由兩部分組成：6路16位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8364和同步時序控制器FPGA(A3P250VQ100),。FPGA(A3P250VQ100)一方面是控制各個單元時序,，另一方面是為了對A／D采集來的陀螺信號進(jìn)行預(yù)處理。

 

    模／數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8364通過FPGA與DSPVC33相連,，采集三軸陀螺信號,。

 

    DSP主要完成對陀螺信號的降噪運算。陀螺信號經(jīng)DSP處理后再由SCI接口傳送到上位機(jī),。

 

    系統(tǒng)設(shè)計的原理框圖如圖1所示,。

 

 

    在圖1中三路陀螺模擬信號經(jīng)過各自的信號調(diào)理、抗混迭濾波后進(jìn)入多通道A／D轉(zhuǎn)換器,，在FPGA的控制下選擇一路信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換,，轉(zhuǎn)換結(jié)果送入FPGA片上FIFO緩存，由DSP讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)字信號處理,。同時FPGA對A／D轉(zhuǎn)換器傳過來的信號進(jìn)行預(yù)處理,，再送到DSP進(jìn)行信號降噪處理，保證了MEMS陀螺信號處理系統(tǒng)處理的實時性,。然后DSP把處理后的結(jié)果送至上位機(jī)和經(jīng)過串口輸出,，完成數(shù)字輸出和模擬輸出，滿足不同的應(yīng)用要求,。

 

1．2 信號處理平臺A／D電路設(shè)計

 

    在整個MEME陀螺信號處理平臺中,，A／D轉(zhuǎn)換器是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分關(guān)鍵核心器件，信號處理系統(tǒng)中選用了美國德州儀器(TI)公司的ADS8364作為MEMS陀螺信號處理平臺的A／D轉(zhuǎn)換器,。ADS8364是TI公司推出的高速,、低功耗,、6通道16位A／D轉(zhuǎn)換芯片，共有64個引腳,。其時鐘信號由外部提供,，最高頻率為5 MHz，對應(yīng)的采樣頻率是250 kHz,。數(shù)字電源供電電壓為3～5 V,，即可以與3．3 V供電的微控制器接口，也可以與5 V供電的微控制器接口,。所以ADS8364非常適合應(yīng)用在精度要求較高,，結(jié)構(gòu)簡單的嵌入式信號處理系統(tǒng)中。

 

    ADS8364的時鐘信號由外部提供,，這里由FPGA提供時鐘信號,，主要是考慮到FPGA可以靈活地改變時鐘頻率，進(jìn)而改變系統(tǒng)的采樣頻率,。A／D轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC,。將ADS8364的BYTE引腳接低電平，使轉(zhuǎn)換結(jié)果以16位的方式輸出,。地址／模式信號(A0,，A1，A2)決定ADS8364的數(shù)據(jù)讀取方式,，可以選擇的方式包括單通道,、周期或FIFO模式。將ADD引腳置為高電平,，使得讀出的數(shù)據(jù)中包含轉(zhuǎn)換通道信息,。考慮到數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的采樣頻率一般較高,，如果用DSP直接控制ADS8364的訪問,，將占用DSP較多的資源，同時對DSP的實時性要求也較高,。因此在本系統(tǒng)設(shè)計中,，用FPGA實現(xiàn)ADS8364的接口控制電路,，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在FPGA中,，用DSP實現(xiàn)FPGA芯片的輸出接口。圖2為ADS8364與FPGA的接口電路設(shè)計圖,。

 

 

 

1．3 DSP的串行通信接口設(shè)計

 

    TMS320VC33 DSP中的串口是一種同步串行接口,，串行通信接口(SCI)是采用雙線通信的異步串行通信接口，即通常所說的UART口,，VC33內(nèi)部帶有串行通信模塊,，該串口支持16級接收和發(fā)送FIFO,，可以與PC和其他異步通信外設(shè)進(jìn)行數(shù)字通信，在信號處理平臺系統(tǒng)中采用RS 232通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)給上位機(jī),，與TMS320VC33接口的外設(shè)選用MAX3232,。

 

2 MEMS陀螺儀信號處理平臺系統(tǒng)任務(wù)分析

 

    MEMS信號處理系統(tǒng)劃分為三個獨立的任務(wù)：數(shù)據(jù)采集任務(wù)、陀螺信號處理任務(wù)和上位機(jī)通信任務(wù),。各個任務(wù)之間通過DSP／BIOS的旗語信號量進(jìn)行同步和協(xié)調(diào),。

 

    數(shù)據(jù)采集任務(wù)是負(fù)責(zé)對MEMS陀螺的信號進(jìn)行采集。該任務(wù)是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,，優(yōu)先級最高,，執(zhí)行時間比其他任務(wù)短，因此選用DSP／BIOs的硬件中斷模塊(HWI),。硬件中斷模塊(HWI)具有嚴(yán)格的實時性和高優(yōu)先級,，一旦SPIFIFO接收寄存器被外部ADC寫滿，立即產(chǎn)生相應(yīng)的中斷,，CPU立即掛起當(dāng)前的任務(wù),，調(diào)用相應(yīng)的中斷服務(wù)程序數(shù)據(jù)采集任務(wù)，將FIFO緩沖區(qū)內(nèi)的采樣值讀入接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū),，啟動后續(xù)采樣,。這時中斷服務(wù)程序退出，CPU的控制權(quán)返還給先前的任務(wù),。

 

    陀螺信號處理任務(wù)負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)字量信號進(jìn)行小波除噪和溫度補(bǔ)償?shù)人惴ㄌ幚?。在設(shè)計時引入了DSP／BIOS的另一種線程類型TSK來實現(xiàn)。任務(wù)是獨立使用的CPU進(jìn)程,，真正體現(xiàn)了多線程的思想,，支持阻塞和優(yōu)先級搶斷。

 

    TSK共有15個優(yōu)先級,，每個任務(wù)均有自己獨立的堆棧,，響應(yīng)延時比較長，適合對實時性要求不是很高的進(jìn)程,。TSK對象的優(yōu)先級低于硬件中斷(HWI),，可根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級和當(dāng)前執(zhí)行狀況調(diào)度或搶占任務(wù)。陀螺信號處理任務(wù)在數(shù)據(jù)采集任務(wù)的空閑周期執(zhí)行,，也就是在采樣值寫入FIFO緩沖區(qū)這段時間執(zhí)行,。當(dāng)數(shù)據(jù)采集任務(wù)執(zhí)行完成，發(fā)送旗語信號量SEM_PROC陀螺信號的處理任務(wù),，對數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)的采樣值進(jìn)行處理,，如果沒有收到旗語信號量SEM_PROC任務(wù)自動掛起。

 

    上位機(jī)通信任務(wù)負(fù)責(zé)系統(tǒng)與外部通信,，將處理完成的數(shù)據(jù)通過SCI接口傳輸給上位機(jī),。上位機(jī)通信任務(wù)同樣采用DSP／BIOS中的TSK線程實現(xiàn),。上位機(jī)通信任務(wù)的優(yōu)先級低于任務(wù)陀螺信號處理任務(wù)，在數(shù)據(jù)采集和信號處理的間隙執(zhí)行,。陀螺信號處理任務(wù)執(zhí)行完成,，發(fā)送旗語信號量SEM-XMIT上位機(jī)通信任務(wù)，將數(shù)據(jù)送出,。

 

3 MEMS信號處理平臺軟件設(shè)計方案

 

    MEMS陀螺儀信號處理平臺的軟件設(shè)計包括DSP程序設(shè)計,、FPGA控制和時序程序設(shè)計。DSP編程的主要任務(wù)是初始化,、管理板上的資源,，并實現(xiàn)前端數(shù)字信號處理的算法。這里以TI公司提供的功能強(qiáng)大的CCS(Code Composer Studio)為集成開發(fā)環(huán)境,。

 

   系統(tǒng)上電復(fù)位后,。首先完成DSP自身的初始化，包括配置RAM模塊,，設(shè)置I／O模式,、定時器模式、中斷等,，然后程序進(jìn)人循環(huán)狀態(tài),，等待中斷。

 

    FPGA的軟件設(shè)計主要包括對A／D的采集控制,、數(shù)據(jù)存儲與傳輸?shù)目刂?、信號的預(yù)處理和同步時序的產(chǎn)生與控制。首先由FPGA把A／D采集來的MEMS陀螺儀的數(shù)據(jù)存儲在FPGA中,，然后由FPGA對采集來的信號進(jìn)行預(yù)處理,，然后等待DSP的控制信號把預(yù)處理的信號送入DSP中進(jìn)行信號處理和傳輸。系統(tǒng)軟件的設(shè)計方案如圖3所示,。

 

4 結(jié) 語

 

    本文設(shè)計的MEMS陀螺信號處理平臺,，能夠完成三軸陀螺信號的采集和處理，并將處理過的MEMS陀螺信號發(fā)送給主機(jī),，由于采用了TI公司高性能的DSP芯片TMS320VC33,，并在軟件設(shè)計中采用了DSP／BIOS多任務(wù)機(jī)制，使得該信號處理平臺具有體積小,，精度高,，實時性好等優(yōu)點，能夠滿足對MEMS 陀螺信號處理,，在實際應(yīng)用中具有一定的參考價值,。