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基于DSP的MEMS惯性陀螺组件信号处理技术研究

作　者: 刘瑞超
导　师: 赵捍东
学　校: 中北大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: MEMS陀螺 接口设计 DSP/BIOS 小波去噪 标定 温度补偿
分类号: V241.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


MEMS陀螺仪具有体积小、重量轻、成本低和可靠性高等优点,在低成本导航领域得到越来越多的应用。但是由于制造工艺和设计水平的原因,造成MEMS陀螺输出信号随机噪声大、零位稳定性差,且易受温度等外界因素的影响,直接影响导航系统的精度。如何减小这些因素对陀螺精度的影响,常用的方法有两种:一是优化MEMS陀螺的制造工艺和设计结构,二是从信号采集、信号去噪和温度补偿算法入手。本文对后者展开研究,主要内容可归纳为如下几个方面:1.提出了一种MEMS陀螺信号处理系统方案,详细介绍了TMS320F28335最小系统设计,以及系统硬件接口设计,主要包括片外扩展RAM接口、模数转换接口、扩展FLASH接口和硬件逻辑扩展接口,给出了本系统完整的设计方案。2.为了克服传统的超循环程序结构实时性差的缺点,本文采用了嵌入式实时操作系统——DSP/BIOS,对系统初始化、信号采集与处理、数据存储与发送等任务进行优化配置,使任务按规定时间进行切换,提高了系统的实时性。3.针对目前低成本的MEMS陀螺具有随机噪声大、零位稳定性差和易受温度影响的缺点,提出了先用滑动平均滤波和中值滤波相结合的非线性处理,再用小波去噪方法消除陀螺信号高频噪声的实时性解决方案。同时,研究MEMS陀螺的信号标定试验方法,并获取温度与采样信号的耦合关系,建立实时温漂补偿算法。经试验验证,陀螺信号的信噪比从121.5461dB提高到150.0964dB,温度补偿能有效消除温度引起的趋势项,为低成本MEMS陀螺的应用提供了参考。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-14
  1.1 MEMS 陀螺概述  9-10
    1.1.1 MEMS 陀螺介绍  9-10
    1.1.2 MEMS 陀螺仪结构原理  10
  1.2 国内外研究现状及课题研究意义  10-12
    1.2.1 国内外研究状况  10-11
    1.2.2 本课题研究的意义  11-12
  1.3 论文主要内容  12-14
2 系统构成与信号处理方案  14-19
  2.1 MEMS 陀螺选型及其性能指标  14-15
    2.1.1 特征  14
    2.1.2 应用领域  14-15
  2.2 MEMS 陀螺信号特点及处理方案  15-16
    2.2.1 MEMS 陀螺信号特点  15
    2.2.2 MEMS 陀螺信号分析  15-16
  2.3 系统总体方案  16-18
    2.3.1 系统软件设计方案  16-17
    2.3.2 系统硬件设计方案  17-18
  2.4 本章小结  18-19
3 信号处理系统硬件及接口设计  19-33
  3.1 DSP 最小系统设计  19-22
    3.1.1 电源模块  19-20
    3.1.2 JTAG 及时钟电路  20-21
    3.1.3 外部扩展RAM  21-22
  3.2 模数转换接口  22-25
    3.2.1 ADS8344 结构特点  23
    3.2.2 ADS8344 工作方式  23-24
    3.2.3 ADS8344 和DSP 的硬件接口  24-25
  3.3 串口通信接口  25-26
  3.4 扩展FLASH 接口  26-30
    3.4.1 McBSP 接口介绍  26-27
    3.4.2 DataFlash 介绍  27-28
    3.4.3 DataFlash 接口配置  28
    3.4.4 DataFlash 读写操作  28-30
  3.5 硬件逻辑扩展  30-32
    3.5.1 CPLD 硬件扩展需求  30
    3.5.2 CPLD 的介绍  30-31
    3.5.3 CPLD 硬件设计  31
    3.5.4 CPLD 程序设计  31-32
  3.6 本章小结  32-33
4 系统软件设计  33-47
  4.1 引言  33-34
  4.2 实时多任务系统DSP/BIOS  34-38
    4.2.1 DSP/BIOS 系统概述  34-35
    4.2.2 DSP/BIOS 实时监测  35-36
    4.2.3 多任务管理  36-37
    4.2.4 任务间的通信与同步  37-38
  4.3 陀螺信号处理器的DSP/BIOS 系统开发  38-41
    4.3.1 任务分配  38-39
    4.3.2 实现步骤  39-40
    4.3.3 任务调度  40-41
  4.4 系统上位机程序设计  41-46
    4.4.1 功能分析  41-42
    4.4.2 模块划分  42-44
    4.4.3 通信帧格式  44-46
    4.4.4 使用概述  46
  4.5 本章小结  46-47
5 MEMS 陀螺信号处理  47-66
  5.1 陀螺信号预处理  47-49
    5.1.1 滑动平均滤波原理  47-48
    5.1.2 中值滤波原理  48
    5.1.3 改进的滤波方法原理  48-49
  5.2 陀螺信号的实时小波处理  49-56
    5.2.1 小波变换原理  49-50
    5.2.2 小波去噪原理  50-51
    5.2.3 小波阈值去噪步骤  51-53
    5.2.4 小波去噪效果判定  53
    5.2.5 小波去噪在陀螺信号处理中的应用  53-56
  5.3 陀螺信号标定  56-62
    5.3.1 计算方法  57-58
    5.3.2 测试方法  58-59
    5.3.3 试验数据及分析  59-62
  5.4 陀螺信号零偏温度补偿  62-65
  5.5 本章小结  65-66
6 总结与展望  66-68
  6.1 总结  66-67
  6.2 对未来工作的展望  67-68
参考文献  68-72
攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果  72-73
致谢  73

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空仪表、航空设备、飞行控制与导航 > 航空仪表、航空设备 > 陀螺仪表
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