基于C8051F064单片机的IMU信号采集系统的制作方法

本实用新型涉及一种IMU信号采集系统，特别涉及一种基于单片机C8051F064的IMU信号采集系统。

背景技术：

惯性测量单元（简称IMU）是测量物体三轴角速度以及加速度的装置。一般的，一个IMU包含三个加速度计和三个陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。它常用于需要用姿态进行精密位移推算的场合，如潜艇、飞机、导弹和航天器的惯性导航设备等，在航空、陆地、海洋导航中有着很重要的应用价值。

IMU信号采集系统是一种用于采集IMU输出角速度以及加速度的系统，大多工作于弹载环境中，要求具有高速度、高精度、高稳定性、低功耗等特点。传统的电荷平衡式电压－频率转换电路虽然具有抗干扰能力强和接口简单等优点，但其采样精度和速度较低，不能满足IMU信号采集系统的高实时性要求。基于DSP的IMU信号采集系统虽然能够处理高速实时数据，但其本身功耗及成本较高，不易推广，且开发难度大。

针对此问题，本实用新型基于常用的AD转换理论，采用新华龙电子有限公司推出的C8051F064单片机，设计一种高速度、高精度、高稳定性、低功耗、低成本的IMU信号采集系统，为弹载计算机提供实时稳定的数据信息。本系统采用单片机自带的ADC采样模块对IMU信号进行采集，尽可能减少信号采集系统的组合单元数量，从而确保在弹载的强干扰信号中，信号采集系统得到稳定输出。

技术实现要素：

本实用新型的目的：本实用新型尝试一种新的IMU信号采集系统方案，既能保证采集系统的高实时性和稳定性，又能简化采集系统结构，从而实现采集系统的低功耗和低成本。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：

一种基于C8051F064单片机的IMU信号采集系统，其特征是，包括三轴陀螺仪、加速度计、多通道模拟开关、信号调理电路、单片机和RS232接口电路；

三轴陀螺仪、三个加速度计的信号输入多通道模拟开关，由多通道模拟开关选择任一路输入的模拟电压信号，输入信号调理电路；信号调理电路对模拟电压信号进行隔离、幅值调整，输入单片机的ADC模块进行模数转换，单片机把转换结果通过RS232接口上传到上位机。

所述单片机为C8051F064。

三轴陀螺仪采用AD公司的ADXRS系列陀螺仪。

加速度计采用ADXL278。

模拟开关电路选用ADG608；单片机通过控制模拟开关电路ADG608的A0～A2、EN管脚来选通IN1～IN8通道。

信号调理电路包括前级跟随电路和后级分压电路；

前级跟随电路包括第一运算放大器，模拟电压信号VIN输入至第一运算放大器正相输入端，第一运算放大器输出端连接至后级分压电路，同时反馈至第一运算放大器负相输入端；

后级分压电路包括第一分压电阻、第二分压电阻和第二运算放大器，第一分压电阻一端连接至前级跟随电路，另一端经第二分压电阻接地，同时连接至第二运算放大器正相输入端；第二运算放大器输出端输出电压VOUT，同时反馈第二运算放大器其负相输入端。

本实用新型创造的优点以及达到的效果：

基于C8051F064单片机的IMU信号采集系统结构紧凑，功耗低，利用较低的成本，获得较高的数据采集性能，能够适应弹载环境的复杂情况。采用RS232通信方式，最高采样频率1Msps，能够实时地为弹载计算机提供准确的IMU数据，具有较强的实用性。

附图说明

图1 IMU信号采集系统原理图；

图2陀螺外围电路图；

图3加速度计及模拟开关电路图；

图4信号调理电路；

图5单片机及外围电路；

图6单片机工作流程图；

图7数据传输流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

本IMU信号采集系统由三轴陀螺仪、加速度计、多通道模拟开关、信号调理电路、单片机、RS232接口电路组成，如图1所示。

电路工作过程如下：三轴陀螺仪、加速度计信号输入多通道模拟开关，由多通道模拟开关选择任一模拟电压信号，输入信号调理电路。信号调理电路对模拟电压信号进行隔离、幅值调整，输入单片机的ADC模块进行模数转换，单片机把转换结果通过RS232接口上传到上位机。下面具体介绍各部分电路的设计过程。

陀螺及外围电路设计

陀螺芯片采用AD公司推出的ADXRS系列陀螺仪，它集成微电子机械系统专利工艺和BIMOS工艺，内部同时集成有角速率传感器和信号处理电路。与任何同类功能的陀螺仪相比，ADXRS系列陀螺仪具有尺寸小、功耗低、抗冲击和振动性好的优点，其典型代表芯片有ADXRS300。ADXRS300只有7mm×7mm×3mm 大小，采用BGA-32 封装技术，这种封装至少要比任何其他具有同类性能的陀螺仪小100 倍，而且功耗为30mW，重量仅0.5g，能够准确的测量角速度。ADXRS300量程为±300°/s ，其外围电路如图2所示。

图2中，VCC是+5V电源信号。RATE-OUT是陀螺输出的角速度信号，0°/s 时输出电压为2.5V，灵敏度为5mV/°/s。TEMP-OUT是陀螺输出的温度信号，常温时输出电压为2.5V，比例系数为8.4mV/°C。

加速度计及模拟开关电路设计

加速度计及模拟开关电路设计如图3所示。加速度计为双轴、高g值、iMEMS工艺的加速度计ADXL278，+5V供电。X轴、Y轴量程均为50g，无加速度时输出电压为2.5V，灵敏度为38mV/g。模拟开关电路选用ADG608，导通电阻≤30Ω，开关时间≤75ns，能实现可靠导通。单片机通过控制模拟开关电路的A0～A2、EN管脚来选通IN1～IN8通道。

信号调理电路设计

信号调理电路如图4所示。模拟开关电路输出的一路信号out为模拟电压信号，模拟电压信号VIN经过前级跟随电路，再经过后级分压电路，输出电压VOUT。输出电压VOUT＝VIN*10/(10+10)=0.5VIN。可见，信号调理电路的作用是在模拟电压信号VIN进入单片机ADC模块前对模拟电压信号VIN进行衰减，减小到0.5倍大小，使之符合AD转换的输入电压范围。

前级跟随电路包括运算放大器U3A，模拟电压信号VIN输入至运算放大器U3A正相输入端，运算放大器U3A输出端连接至分压电阻R16一端，同时反馈至其负相输入端。后级分压电路包括分压电阻R16、R15和运算放大器U3B，分压电阻R16一端连接至前级跟随电路，另一端经分压电阻R15接地GND，同时连接至运算放大器U3B正相输入端；运算放大器U3B输出端输出电压VOUT，同时反馈至其负相输入端。

单片机及外围电路设计

单片机C8051F064是整个IMU信号采集系统的核心部分，它构建了从传感器、信号调理电路到上位机之间的桥梁。与传统的C51 单片机相比，C8051F064 单片机70% 的指令执行时间为1或2 个系统时钟周期, 只有4 条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。它最高工作频率25MHz, 片内集成两个16 位、1Msps 的AD 转换器, 并带有DMA 控制器。单片机及外围电路设计见图5。

单片机采用+3.3V供电，25MHz外部工作时钟，工作电流仅16mA。数据采集端口为AIN0和AIN1，AIN0采集陀螺的角速度信号，AIN1采集加速度计的加速度信号，信号幅度范围是0～2.5V。当ADC工作在1Msps的最大采样率时可提供16位分辨率，因此单片机每次AD转换结果为16位数字信号（即两个字节），通过Uart串口、RS232接口上传到上位机，实现实时采样。

单片机软件设计

单片机上电后，首先启动外部晶振，然后对IO端口、定时器、Uart0、ADC0、ADC1等外设进行初始化设置，接着控制模拟开关选择一路待测模拟电压信号，延时一定时间去抖后，打开ADC模块进行采样、AD转换，转换结果通过Uart0发送出去。发送结束后切换其他通道，对其他角速度或加速度信号进行采集，周而复始。单片机工作流程图如图6所示。

单片机进行AD转换时，通过向ADnBUSY 写‘1’启动数据转换，通过查询ADnINT 位以确定转换何时结束，查询步骤如下：

（1）写‘0’到ADnINT；

（2）向ADnBUSY 写‘1’；

（3）查询并等待ADnINT 变‘1’；

（4）保存ADCn 数据。

C8051F064单片机串行接口与计算机之间能实现多种波特率的传输。这不仅需要配置好数字交叉开关，也要配置为串行接口产生波特率的定时器，配置过程要按照数字交叉开关、定时器、串行接口的顺序。发送数据时，先发送AD转换结果的高位字节，再发送AD转换结果的低位字节。IMU信号采集系统使用的波特率为115200bps，数据传输流程图如图7所示。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。