捷联惯导系统中加速度计的信号采集

周 璐 刘晴晴 谭新洪

1.宇航智能控制技术国家级重点实验室，北京 1008542.北京航天自动控制研究所，北京 100854

捷联惯导系统中加速度计的信号采集

周 璐1，2刘晴晴1，2谭新洪1，2

1.宇航智能控制技术国家级重点实验室，北京 100854
2.北京航天自动控制研究所，北京 100854

针对捷联惯导系统中加速度计具有动态范围宽、分辨率高、实时性强等特点，设计了一种V/F与A/D转换相结合的数据采集方法，并对该方法的设计原理、电路实现和解算过程做了详细的介绍。运行情况证明:此方法可以显著提高加速度信号采集的精度和量程，具有一定的实用价值。

加速度计;数据采集;V/F转换;捷联惯导

捷联惯组是指把加速度计和速率陀螺这2种惯性器件直接安装在运载体上，利用它们分别测出运载体相对惯性空间的视加速度和角速度在体轴坐标系坐标轴方向上的投影，通过本体上的计算机解算运载体姿态运动的微分方程，求出从体轴坐标系到导航坐标系的转换矩阵，利用该矩阵把加速度计在体轴系中的测量值投影到导航坐标系，然后根据导航方程进行导航计算，求出运载体的速度、位移等参数［1］。加速度计作为捷联惯导系统的核心器件，其精度的高低和性能的优劣直接决定了捷联惯导系统的性能，要求能够达到±10-5g～±35g的测量范围。为了实时获得高分辨率的加速度信号，对系统中采集加速度计信号的转换电路的精度、测量范围和实时性都提出了较高要求。

本文介绍一种新的加速度计输出信号的采集和处理方法，并设计了相应的处理电路。与传统的单纯采用一种转换方式相比，该方法将V/F和A/D两种转换方式相结合，提高了加速度计信号处理电路的速度和精度，从而为提高捷联惯组的精度创造条件。

1 2种转换方法的优缺点分析

高精度石英挠性加速度计的输出多为模拟电流信号，通常用高精度的电阻，采用分流式或反馈式［2］将加速度计输出的模拟电流信号转换成模拟电压信号后再数字化处理。加速度计信号处理电路有2种转换方法:经过压频转换器(VFC)将电压信号转化成脉冲信号，通过计数器记录单位时间内的脉冲个数从而得到数字量;或者经过放大电路后用A/D转换器(ADC)直接将模拟电压变为DSP可处理的数字信号［3］。

出于高线性度的要求，电荷平衡式VFC结构成为设计首选［4］。这种数据采集方式的优点是:采用积分型电荷平衡式变换原理，可对输入信号进行连续测量，不存在丢失信息的问题;另外，其变换过程就是对电压的不断积分，可对噪声或变化很快的输入信号进行平滑，具有良好的抗干扰性能，且不占用计算机资源。但是，采用V/F转换器，随着时钟频率的增加线性误差也相应的增加;而减小时钟频率后，如果输入的电流值太小，电荷需要累积很长时间才会产生一个计数脉冲，这段时间是采样盲区，将没有任何信号输出。因此，单纯的V/F转换，转换速度慢，信号分辨率低，在采样点精度不高［5］。

对于A/D转换器，其标度系数的稳定性取决于所用的参考电压的稳定性，其零点漂移取决于A/D转换芯片本身的漂移稳定性，通常受A/D转换芯片的工作电压、时钟频率、温度的影响。比起V/F转换，A/D转换的优点在于:具有精度高、转换速度快、多路信号输入时电路结构简单、不需要稳定时间等优点。但A/D采样的缺点在于，采样信号没有积分特性，所以抑制噪声能力较弱，动态范围有时不能满足系统要求。

2 V/F转换的原理和过程

目前采用V/F转换技术的加速度计信号处理电路通常用集成VFC芯片来完成。参考ADI公司生产的 VFC芯片 AD652［6］，分析 V/F转换的原理和过程。

图1 2种转换方式相结合电路连接图

如图1和2所示，积分器输出的是一个锯齿波，当锁存器的Q端输出为低电平时，恒流源的转换开关切换到L端，积分器进入积分周期，积分器输出电压线性下降。当积分器输出电压降至比较器的门限电压时，电压比较器的输出翻转为高电平，与门AND输出也变高。在外部时钟CLOCK的下降沿D触发器输出反转为高电平，再经过半个时钟周期，到CLOCK的上升沿锁存器的Q端输出变高。直到这时，参考电流转换开关切换到H端，积分器进入复位周期，积分器输出电压线性上升。此时，与门AND输出变低，经过半个时钟周期，CLOCK的下降沿D触发器输出翻转为低电平，再经过半个时钟周期，到CLOCK的上升沿锁存器的Q端输出变低，恒流源转换开关切换到L端，复位周期结束，积分器再次进入积分周期。在这个工作过程中，锁存器的输出同时触发单稳电路，使频率输出端输出一个负脉冲。用一个计数器来跟踪输出的脉冲个数，那么计数值就与单位时间内的脉冲个数成正比。

如图2所示，复位周期tos的大小由外接时钟频率决定，可以写成:

设积分电容大小为Ct，通过积分电容的电流为It，恒流源大小为IR，积分器输出的初始电压为Uo1，当复位周期结束时，积分器的输出Ut的幅值Um1为:

设积分时间为tI，在积分周期内Ut的初值为Um1，设积分周期结束时，Ut的终值为Uo2，因此

当电容充放电达到稳定时，积分器输出的锯齿波相对于CLOCK的相位也达到稳定，取其平均值，则Uo1≈Uo2，由式(2)和(3)可以求得积分周期为:

其中，fout为VFC的输出频率;Vin为VFC的模拟输入电压;IR为恒定电流源的电流值，Rin为VFC的输入电阻，对于集成VFC来说，通常是由芯片内部设定的［7］。从式(5)可以看出，输出频率fout正比于输入电压Vin，从而实现V/F转换。

3 V/F与A/D转换相结合的方案设计

为了解决VFC分辨率低及小信号的输入盲区问题，结合上述2种采样方式的优缺点，考虑使用V/F与A/D采样相结合的双采样方式，其原理如图3所示。其中V/F转换模块由积分器、比较器、D触发器、逻辑开关、恒流源、单稳电路组成;A/D转换模块由采样保持器、A/D转换器，缓冲器组成。V/F转换模块输出的脉冲信号和A/D转换模块输出的数字量均交与FPGA进行数据处理。采用FPGA实现了高精度A/D转换器的初始化和数据采集，为系统信息的快速处理奠定了基础［8］。电路连接如图1所示。

图2 工作模式时序图

按前面所述V/F转换原理，利用积分式电荷平衡技术将电压信号转换成脉冲信号，用计数器记录单位时间内输出的脉冲数，其值为FPGA要处理的脉冲值的整数部分。匹配合适的电阻值，用前置放大电路将V/F转换模块里积分器的输出电压经运算放大器，输出所需要的电压范围，经过采样保持，作为A/D转换器的输入值。利用高速A/D转换芯片，将积分器的输出模拟电压量转换成对应的数字量，经缓冲器输出给FPGA进行脉冲值小数部分的计算。将解算得到的小数部分和计数器所记录的脉冲整数一起作为系统的采样脉冲数，进行系统解算，从而达到提高采样分辨率和采样精度的目的［9］。

A/D转换过程就是采集V/F转换中积分器输出的模拟电压量，然后经过放大，转换成数字量输出给FPGA。在加速度计输出电流很小的情况下，积分电容充电时间很长，此时无脉冲输出，采用A/D转换来计算积分期间实际相当的脉冲输出值。加速度计有大信号输出时，积分时间短，输出脉冲之间间隔的时间短，即使不进行A/D转换，也能达到较高的精度。这样，信号转换的分辨率可以达到A/D转换芯片的分辨率。为了获取较高的线性度，将V/F转换的时钟频率降低。在一个计数周期内，V/F转换给出脉冲的整数部分，同时A/D转换采集积分器的输出值，输出给PFGA解算出这一时刻对应的脉冲值的小数部分。增加脉冲的小数部分相当于提高了转换的分辨率。

如图2所示，在一个计数周期内对V/F转换的整数个脉冲值进行采集，在2个脉冲之间的时间内对积分器的输出进行A/D采样，用FPGA实时计算出在这2个脉冲之间的某一时刻积分器输出的电压对应于最大值与最小值的位置，即输出脉冲值的小数部分。FPGA最后将一个计数周期内记录的脉冲值的整数部分和计算得到的脉冲值的小数部分相加，计算得到相应的数字量输出给DSP进行系统解算。

4 V/F与A/D转换相结合的解算方式

如图2所示，积分器的输出为锯齿波，积分器充电时，输出电压减小。当输出电压下降至阈值电压Uc时，再过一个时钟的上升沿，积分器进入放电阶段，此时输出一个脉冲信号。随着输出电压增大，经过时间tos后，切换开关至充电阶段，输出电压开始下降，此时A/D转换器开始采样，采得的输入电压为最大值Um。当输出电压下降至阈值电压Uc后，再经过一个时钟上升沿，再次切换开关至放电阶段，同时输出一个脉冲信号。在输出2个脉冲之间，积分器完成一次充放电，充电期间就是A/D转换器的采样时间。

图3 转换过程原理框图

A/D转换器输出并行数据给FPGA的寄存器，FPGA判断锯齿波的最大值和最小值。若ta时刻FPGA的输入值为Ua，tb时刻为Ub，tc时刻为Uc，而Ua〈Ub且Ub〉Uc，则Ub被认为是锯齿波这个充放电周期内的最大值Um。若Ua〉Ub且Ub〉Uc，则Ub被认为是锯齿波这个周期内的最小值Uo。当FPGA判断输入为Uo时，用寄存器D1记录Uo的值。当FPGA判断输入为Um时，用寄存器D2记录Um的值，此时FPGA开始计数。

假设计数周期为T，期间计数器记录的脉冲数为N，FPGA通过加法和除法运算，在t1时刻解算得到加速度计输出的模拟电流信号对应的数字量为:

这样，通过以上介绍的方法和电路完成了高精度加速度计信号的转换、采集和处理过程。

5 结束语

本文设计了一种新的捷联惯组的加速度计信号采集和处理的方法，与传统的单纯采用V/F转换或者A/D转换相比，该方法将2种转换方式相结合，既具有V/F转换输入范围宽，抗干扰性能好，可靠性高的优点，又克服了单一采用V/F转换速度慢、信号分辨率低、在采样点精度不高的缺点。针对捷联系统中加速度计信号具有动态测量范围宽、精度高、实时性强的特点提出了一种有效的解决方案。运行情况证明:性能良好，具有实时性强，转换精度高，可靠性好等优点，可广泛应用于各种加速度计、陀螺等惯性器件及其他传感器的信号采集中，也可应用于其他要求宽动态范围高精度的传感器接口系统中。这种多采集方式融合的设计思想对其它信号处理电路的设计也具有一定的参考价值。

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Data Collection of Accelerometer in Strapdown Inertial Navigation System

ZHOU Lu1，2LIU Qingqing1，2TAN Xinhong1，2
1.National Key Laboratory of Science and Technology on Aerospace Intelligent Control，Beijing 100854，China
2.Beijing Aerospace Automatic Control Institute，Beijing 100854，China

A data collection measurement combiningV/Fconventor withA/Dconventor is analyzed，which is specialized for wide scale，high resolution and fair real-time accelerometer in strapdown inertial navigation system．And the principle of the design，the circuit frame and calculation process are presented in detail．The experimentation shows that the precision and the scale can be improved and a high practical value can be achieved．

Accelerometer;Data collection;V/Fconvert;Inertial navigation system

TM501.4

A

1006-3242(2014)02-0018-05

2012-11-14

周 璐(1983-)，女，湖北荆州人，硕士，工程师，主要研究方向为先进感知与测量技术应用;刘晴晴(1983-)，女，山东临沂人，硕士，工程师，主要研究方向为先进感知与测量技术应用;谭新洪(1973-)，男，长沙人，硕士，高级工程师，主要研究方向为先进感知与测量技术应用。