IMU信号采集系统

IMU信号采集系统
目录
1.概述 (1)
2.IMU信号采集系统的主要功能 (1)
2.1.高精度时间 (1)
2.2.陀螺仪、加速度计的数据采集 (1)
3.IMU信号采集系统设计方案及原理 (1)
3.1.整体方案 (1)
3.2.授时原理 (2)
3.3.陀螺仪和加速度计的输出信号调理电路 (2)
3.4.陀螺仪和加速度计输出信号的采集 (3)
4.传感器及核心元器件 (4)
4.1.陀螺仪 (4)
4.2.加速度计 (4)
4.3.GPS (5)
4.4.核心元器件 (5)
5.IMU信号采集系统 (6)
5.1.机械设计 (6)
5.2.电路设计 (6)
5.3.IMU信号采集系统 (8)
1.概述
传统的航空摄影测量需要布设大量地面控制点，效率低下。

POS系统集全球定位系统（GPS）、惯性导航系统（INS）于一体，综合具备了GPS和INS的优点，即使在GPS信号被遮挡的时候，其解算的结果也是稳定连续的。

利用POS系统能得到精确的相机曝光时刻以及相片外方位元素，从而实现无地面控制点的航空摄影测量。

目前国内较少自主研发POS系统，大多直接购买国外相关的产品，成本高昂。

IMU信号采集系统以ARM和FPGA为核心，通过GPS和高稳晶体实现高精度的时间，同时通过高精度AD转换模块采集3轴加速度计、3轴陀螺仪的实时数据，最终输出带时间戳的高精度传感器数据，为POS系统的实现打下了坚实基础。

2.IMU信号采集系统的主要功能
2.1.高精度时间
本系统结合GPS、高稳石英晶体，以FPGA为核心，结合有效的算法，产生高精度的时间（精度
）。

可达10uS
2.2.陀螺仪、加速度计的数据采集
通过FPGA及AD转换模块采集陀螺仪（三轴）、加速度计（三轴）等传感器的输出信号。

并将陀螺仪、加速度计进行数字化、滤波，最终将带有时间戳和各传感器输出的数据按照设定的时间间隔快速地上传给上位机，进行进一步的处理。

3.IMU信号采集系统设计方案及原理
3.1.整体方案
硬件部分整体方案如图1所示，整个硬件系统由ARM，FPGA，三轴陀螺仪、三轴加速度计、GPS 等传感器单元，电源管理模块以及Flash和SDRAM以及单板计算机组成。

FPGA主要接收陀螺仪、加速度计经AD转换后的数字信号，编码器和GPS的信号，完成高精度时钟和传感器的输出数据采集。

ARM将FPGA采集到的数据信号存储，并接收FPGA输出的高精度时间脉冲，将传感器的信号打上高精度时间戳后通过USB或者UART快速上传给单板计算机，由单板计算机进行卡尔曼滤波等一系列处理后输出位置、时间及姿态信息。

图1系统硬件部分整体框图
3.2.授时原理
高精度时间产生及校时的原理框图如图2所示，在FPGA内部由分频电路完成10uS脉冲产生，时钟校准等功能，系统工作时，ARM接收来自GPS输出的时间及定位数据，从中解析出当前卫星数和定位状态，当PPS有效时通过控制信号启动校时，使秒脉冲和毫秒脉冲复位，利用高稳晶振输出的高稳脉冲和无时间累计误差的GPS输出PPS脉冲，实现高精度校时。

图2 时间产生及校时的原理框图
3.3.陀螺仪和加速度计的输出信号调理电路
AD转换芯片选用AD公司的AD7687，AD7687是一款16位逐次逼近型模数转换器转换器，积分非线性度典型值为±0.4 LSB，最大±1.5 LSB，采样率可达 250 kSPS，为SPI接口输出，IO引脚采用独立电源VIO时，该器件与1.8V、2.5V、3V或5V逻辑兼容方便与后面的主控制FPGA芯片连接。

VOFF = 0V AC =
图3 陀螺仪和加速度计信号转换电路
AD7687的输入要求为幅度在0V 以上相位相反的差分输入，因此陀螺仪和加速度计的输出信号需要经过调理电路转换成差分信号输出给AD7687，陀螺仪的输出是差分信号电压信号，经运放转换成单端电压信号，加速度计的输出是电流信号，可以通过高精度电阻变换成电压信号，这样陀螺仪和加速度计的信号统一成单端电压信号，再经过运放转换成AD7687所需的输入信号，电路原理图如图3所示。

3.4. 陀螺仪和加速度计输出信号的采集
陀螺仪和加速度计的输出经16位AD 转换后，通过6路SPI 接口输出给FPGA ，FPGA 按照SPI 接口时序读取采集到的数据，为能保证采集数据的精度。

采样率取20KHz ，如图4所示。

图4 陀螺仪和加速度计信号采集
4.传感器及核心元器件
4.1.陀螺仪
本系统选用VG035P光纤陀螺仪，该陀螺仪采用5V供电，功耗1W，主要性能参数如下：
1）测量范围：±60deg/S
2）比例系数：20mVdeg/S
3）偏差稳定性：1deg/h
4）带宽：450Hz
图5 VG035P光纤陀螺仪
4.2.加速度计
加速度计选用JHT-1/A石英加速度计，该加速度计精度高，电流输出，信号接口方便。

可用于高精度静态角度测量系统和高精度惯导系统中，主要技术参数如下：
1）量程：±20g
2）偏值：≤3mg
3）标度因子：1.1-1.5mA/g
4）偏值长期重复性：≤20ug
5）标度因子长期重复性：≤20ppm
图6 JHT-1/A石英加速度计
4.3.GPS
选用NovAtel的OEMV-3型GPS接收板，NovAtel的OEMV-3是一款三频72通道的板卡，能够支持L2C、和未来的GPS L5频率。

单点定位精度1.8m，授时精度20nS，数据更新率可达50Hz，通过40pin排针与外接电路相连，并提供了多个串口、USB接口、CAN接口、EVENT引脚，方便后续的扩展应用。

图7 OEMV-3型GPS接收板
4.4.核心元器件
1）ARM
ARM选用三星公司的S3C6410，该芯片是基于ARM11的构架，运行频率最高可达667MHz。

图8 ARM芯片
2）FPGA
FPGA选用EP3C40Q240C8，EP3C40Q240C8是Altera公司CycloneⅢ系列中的一款FPGA芯片，它前所未有地同时实现了低功耗、低成本和高性能。

其中CycloneⅢFPGA在布局上提供丰富的存储器和乘法器资源，并且所有体系结构都含有非常高效的互联。

价格大约240元每片。

图9 EP3C40Q240C8芯片
3）AD
AD转换芯片选用AD公司的AD7687，AD7687是一款16位逐次逼近型模数转换器转换器，积分非线性度典型值为±0.4 LSB，最大±1.5 LSB，采样率可达 250 kSPS，为SPI接口输出，IO引脚采用独立电源VIO时，该器件与1.8V、2.5V、3V或5V逻辑兼容方便与后面的主控制FPGA芯片连接，价格约150元每片。

图10 AD7687芯片
5.IMU信号采集系统
5.1.机械设计
三轴陀螺仪和三轴加速度计分别由三个独立的陀螺仪和加速度计按照XYZ三轴组装而成，安装时设计好相关的机械支架，在XYZ三个方向上固定好传感器，整个支架要有一定的刚性，同时考虑安装方便和采取减震措施。

图11 陀螺仪和加速度计安装机械图
设计上保证陀螺仪和加速度计严格共轴，同时采用刚性连接，整个安装机械图如图11所示。

5.2.电路设计
为保证采集的精度，电路板采用多层板设计。

PCB设计时要考虑接插件的位置，元器件的合理布局，差分线等长线的处理，PCB设计过程中考虑以下原则：
1）信号流向与先大后小原则
根据信号流向布局元件，输入单元放在电路板的左边，输出单元放在电路板的右边，以核心元件为中心进行布局，先放置接插件和体积较大的元件，后放置体积较小的元件。

2）抗干扰原则
为提高电路的性能，数字地和模拟地分开布局，一点接地，从而避免数字部分对模拟部分产生干扰。

3）电容布局原则
去耦电容尽可能靠近元件的电源引脚，以减小电容引线的长度，达到更好的去耦效果，并保证电源先经过去耦电容后后进入元件。

4）均衡原则
整个电路板元件布局均匀。

图12 主板PCB图
PCB图如图12所示，左上方是加速度计和陀螺仪的信号输入部分，主要是信号的调理电路和AD转换，也是系统的模拟部分，中间靠右是FPGA模块，负责系统的授时和AD转换后的数字信号采集，左下方是ARM核心板，通过插座连接到主板，OEMV－3型GPS通过40pin双排排针连接到主板，整个PCB布局合理美观。

5.3.IMU信号采集系统
完成后的IMU信号采集系统如图13 14所示。

图13 IMU信号采集系统图片1
图14 IMU信号采集系统图片2
陀螺仪和加速度计安装在刚性机械装置上，通过排线将输出连接至主板，主板上的FPGA负责AD转换后的数据采集、滤波，ARM根据接收到的GPS数据和FPGA输出的高精度脉冲产生高精度时间信息，通过串口将传感器数据打上时间戳后输出。