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1、(10)申请公布号 CN 103148846 A (43)申请公布日 2013.06.12 CN 103148846 A *CN103148846A* (21)申请号 201310057739.1 (22)申请日 2013.02.25 G01C 19/02(2006.01) G01C 19/04(2006.01) (71)申请人 哈尔滨工业大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区一匡 街 2 号哈尔滨工业大学科学园 2A 栋 (72)发明人 张海峰 刘晓为 翁睿 张晓舒 尹亮 (54) 发明名称 基于 DDS 的任意波形的微机械陀螺驱动装置 (57) 摘要 本发明提供一种基于 DDS 。
2、的任意波形的微机 械陀螺驱动装置， 该微陀螺驱动装置包括 ： 上位 机、 USB 串口通信电路、 主 / 副 CPU、 DDS 时钟电路、 DA 转换器及多个功率驱动级电路。用户在上位 机上绘制驱动波形， 然后将波形采样点数据通过 USB 转串口发送给主 CPU， 主 CPU 通过数据总线转 发给副 CPU 进行输出或存储。两个 CPU 的 EEPROM 中均保存有常用波形， 可以根据用户需要进行查 看、 输出或修改。主 CPU 控制 DDS 频率合成器输 出指定频率的方波， 给副 CPU 提供时钟信号， 经副 CPU 片内分频后驱动多通道 DAC 输出给定波形的 驱动信号， 从而实现微陀螺的。
3、驱动， 该微陀螺驱动 装置具有驱动结构灵活和驱动调整方便的特点。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103148846 A CN 103148846 A *CN103148846A* 1/1 页 2 1. 一种基于 DDS 的任意波形的微机械陀螺驱动装置， 包括上位机、 USB 串口通信电路、 主 CPU、 副 CPU、 DDS 频率合成器、 DA 转换器和多个功率级驱动电路， 其特征在于 ： 主 CPU 与 USB 串口通信电路连。
4、接， USB 串口通信电路通过 USB 总线与上位机连接， 副 CPU 通过数据总 线主 CPU 连接， DDS 频率合成器分别与主 CPU、 副 CPU 连接， 副 CPU 与 DA 转换器连接， DA 转换 器分别与多个功率级驱动电路连接， 主CPU一方面通过USB总线与上位机进行通讯， 获得上 位机用户的操作指令和波形表数据， 同时反馈驱动装置的运行状态 ； 另一方面控制 DDS 频 率合成器， 由DDS频率合成器给副CPU提供时钟 ； 主CPU将接收到的波形表数据保存在自己 的或副CPU的EEPROM和FLASH中， 驱动装置运转时， 主CPU通过数据总线将波形数据加载到 副 CPU 。
5、的芯片内 XRAM 中， 主 CPU 并控制副 CPU 的运行状态， 由副 CPU 控制 DAC 输出指定的 波形， 经副CPU芯片内分频后驱动DA转换器输出给定波形的驱动信号驱动多个功率驱动级 电路， 实现微陀螺定子线圈的驱动， 同时输出的驱动信号的相位由副 CPU 的程序进行控制， 从而实现驱动输出波形频率的精确控制。 2. 根据权利要求 1 所述的一种基于 DDS 的任意波形的微机械陀螺驱动装置， 其特征在 于 ： 还包括显示单元， 所述的显示单元与主 CPU 连接。 3. 根据权利要求 1 所述的一种基于 DDS 的任意波形的微机械陀螺驱动装置， 其特征在 于 ： 所述的主、 副 CP。
6、U 采用 STC12C5A60S2 单片机。 4. 根据权利要求 1 所述的一种基于 DDS 的任意波形的微机械陀螺驱动装置， 其特征在 于 ： 所述的 DDS 频率合成器采用 AD9850 芯片。 5. 根据权利要求 1-4 任一项所述的一种基于 DDS 的任意波形的微机械陀螺驱动装置， 其特征在于 ： 所述的主副CPU分别带有Flash和EEPROM存储器， 能够分别存储波形表数据， 每组波形表能够存储850个固定波形数据和16个用户自定义波形数据， 其中主波形表位于 副CPU上， 存储常用的波形， 能够根据需要随时进行输出 ； 备用波形表位于主CPU上， 能够在 用户请求时通过两个 CP。
7、U 之间的数据总线加载到副 CPU 的片内 XRAM 中， 副 CPU 的 EEPROM 中保存有常见的波形， 能够直接通过驱动功率级电路进行输出控制微陀螺的转动。 6. 根据权利要求 1-4 任一项所述的一种基于 DDS 的任意波形的微机械陀螺驱动装置， 其特征在于 ： 本装置能够输出 8 路任意波形信号， 各路信号之间的相位差能够根据需要任 意设定， 最小分辨率为 6， 或者在不同通道输出不同波形的信号， 并对其相位进行精确 控制。 权 利 要 求 书 CN 103148846 A 2 1/5 页 3 基于 DDS 的任意波形的微机械陀螺驱动装置 技术领域 0001 本发明属于微机械陀螺领。
8、域， 具体涉及的是一种基于 DDS 的任意波形的微机械陀 螺驱动装置。 背景技术 0002 陀螺是一种测量物体相对于惯性空间角度或角速率的传感装置。早在 1852 年法 国科学家傅科就创造了 “陀螺” 这个词汇， 并制作了一个巨大的单摆式陀螺， 成功地演示了 地球的自转现象。由于陀螺在任何环境下都具有自主导航的能力， 自问世以来， 就在航空、 航天、 航海以及军事等领域有着广泛的应用， 一直是各国重点发展的技术。随着 MEMS 技术 的发展， 微机械陀螺成为国内外研究的热点。目前， 硅微机械陀螺主要以振动式陀螺为主， 该种类型的陀螺活动质量块较轻， 通常为毫克量级， 同时受结构尺寸与运动方式的。
9、限制， 结 构振动幅度较小， 振动速度较低， 结构产生的哥氏力相对较小， 限制了振动式 MEMS 陀螺灵 敏度的提高。振动式微机械陀螺主要用于中低精度场合。近年来， 为有效提高 MEMS 陀螺敏 感结构的运动速度及哥氏力， 研究人员提出转子式微陀螺， 利用电磁力(或静电力)使转子 悬浮于平衡位置， 通过静电力或电磁力使转子旋转， 获得恒定角动量， 在哥氏力的作用下转 子偏转产生陀螺效应。 由于转子悬浮并高速旋转， 不需要机械支悬和模态匹配， 因而相比振 动式微机械陀螺仪可获得更高的精度。转动式与振动式 MEMS 陀螺相比， 运动线速度提高约 2-3 个数量级， 同时具有较大的质量块， 理论上精。
10、度可提高 2 个数量级以上。受目前微加工 技术的制约， 悬浮转子微陀螺的转子多数为扁平转子。 转子的高速旋转需要较大的驱动力， 静电悬浮式微陀螺驱动力矩通常为皮牛米的量级， 驱动力矩相对较小， 无法实现较大质量 块的转子的高速旋转。电磁驱动的微陀螺的驱动力矩高达微牛米的量级， 成为当前研究的 热点技术之一。 当前的电磁驱动通常以脉冲波形为主， 转子的驱动方式单一， 采用不连续的 方波驱动会造成转子的旋转不稳定， 因此需要对电磁驱动的转子式微陀螺的驱动技术进行 研究， 本发明提出了一种基于 DDS 的任意波形的微陀螺驱动装置， 可以对陀螺驱动波形进 行优化组合， 具有较强的灵活性。 发明内容 0。
11、003 本发明的目的是克服现有的电磁驱动式微机械陀螺采用采用单一脉冲或正弦波 驱动造成转子旋转不稳定， 驱动功率较大的问题， 提出了一种基于 DDS 的任意波形的微机 械陀螺驱动装置， 通过控制输出波形的形状和相位可实现微机械陀螺的高速旋转， 从而有 助于提高微机械陀螺的性能。 0004 本发明是通过以下技术方案实现的， 0005 一种基于 DDS 的任意波形的微机械陀螺驱动装置， 包括上位机、 USB 串口通信电 路、 主 CPU、 副 CPU、 DDS 频率合成器、 DA 转换器和多个功率级驱动电路， 主 CPU 与 USB 串口通 信电路连接， USB 串口通信电路通过 USB 总线与上。
12、位机连接， 副 CPU 通过数据总线主 CPU 连 接， DDS 频率合成器分别与主 CPU、 副 CPU 连接， 副 CPU 与 DA 转换器连接， DA 转换器分别与 说 明 书 CN 103148846 A 3 2/5 页 4 多个功率级驱动电路连接， 主CPU一方面通过USB总线与上位机进行通讯， 获得上位机用户 的操作指令和波形表数据， 同时反馈驱动装置的运行状态 ； 另一方面控制 DDS 频率合成器， 由DDS频率合成器给副CPU提供时钟 ； 主CPU将接收到的波形表数据保存在自己的或副CPU 的 EEPROM 和 FLASH 中， 驱动装置运转时， 主 CPU 通过数据总线将波形。
13、数据加载到副 CPU 的 芯片内 XRAM 中， 主 CPU 并控制副 CPU 的运行状态， 由副 CPU 控制 DAC 输出指定的波形， 经副 CPU 芯片内分频后驱动 DA 转换器输出给定波形的驱动信号驱动多个功率驱动级电路， 实现 微陀螺定子线圈的驱动， 同时输出的驱动信号的相位由副 CPU 的程序进行控制， 从而实现 驱动输出波形频率的精确控制。 0006 本发明还具有如下特征 ： 0007 1、 本驱动装置还包括显示单元， 所述的显示单元与主 CPU 连接。 0008 2、 如上所述的主副 CPU 用的 STC12C5A60S2 单片机。 0009 3、 如上所述的 DDS 频率合成。
14、器采用是 AD9850 芯片。 0010 4、 如上所述的主副 CPU 分别带有 Flash 和 EEPROM 存储器， 能够分别存储波形表数 据， 每组波形表能够存储 850 个固定波形数据和 16 个用户自定义波形数据， 其中主波形表 位于副 CPU 上， 存储常用的波形， 能够根据需要随时进行输出 ； 备用波形表位于主 CPU 上， 能够在用户请求时通过两个 CPU 之间的数据总线加载到副 CPU 的片内 XRAM 中， 副 CPU 的 EEPROM 中保存有常见的波形， 能够直接通过驱动功率级电路进行输出控制微陀螺的转动。 0011 5、 如上本装置能够输出 8 路任意波形信号， 各路。
15、信号之间的相位差能够根据需要 任意设定， 最小分辨率为 6， 或者在不同通道输出不同波形的信号， 并对其相位进行精 确控制。 0012 本发明具有以下优点 ： 由于系统中存在两个嵌入式CPU， 分别带有Flash和EEPROM 存储器， 故可以分别存储波形表数据。每组波形表可以存储多达 850 个固定波形数据和 16 个用户自定义波形数据。其中主波形表位于副 CPU 上， 存储常用波形， 可以根据需要随时进 行输出。备用波形表位于主 CPU 上， 可以在用户请求时通过两个 CPU 之间的数据总线加载 到副 CPU 的片内 SRAM 中， 再通过 DAC 进行输出。由于嵌入式系统灵活易用的特性，。
16、 本系统 能够输出 8 路任意波形信号， 各路信号之间的相位差可以根据需要任意设定， 最小分辨率 为 6， 甚至还可以在不同通道输出不同波形的信号， 并对其相位进行精确控制。该驱动 装置具有驱动结构灵活和驱动调整方便的优点。 附图说明 0013 图 1 是本发明的总体结构原理图 ； 0014 图 2 是主 CPU 控制 DDS 给副 CPU 提供时钟源的电路原理图 ； 0015 图 3 是主 CPU 与副 CPU 之间通过串口通信的接线原理图 ； 0016 图 4 是副 CPU 控制 DA 进行多通道输出的原理图 ； 0017 图 5 是 DAC 的电路原理图 ； 0018 图 6 是每路的驱。
17、动功率放大级电路的原理图 ； 0019 图 7 是串口通信电路的原理图 ； 0020 图 8 是主 CPU 的程序流程图 ； 0021 图 9 是副 CPU 的程序流程图。 说 明 书 CN 103148846 A 4 3/5 页 5 具体实施方式 0022 下面结合附图对本发明的实施例做详细的说明 ： 0023 实施例 1 0024 如图 1 所示， 本实施例包括上位机 1、 USB 串口通信电路 2、 主 CPU3、 副 CPU4、 DDS 频 率合成器 5、 DA 转换器 6 和多个功率级驱动电路 7， 主 CPU3 与 USB 串口通信电路 2 连接， USB 串口通信电路 2 通过 。
18、USB 总线与上位机 1 连接， 副 CPU4 通过数据总线主 CPU3 连接， DDS 频 率合成器 5 分别与主 CPU3、 副 CPU4 连接， 副 CPU4 与 DA 转换器 6 连接， DA 转换器 6 分别与 多个功率级驱动电路7连接。 USB串口通信电路2主要负责驱动电路和上位机软件的通信。 主 CPU3 主要负责整个系统的控制和协调工作， 控制 DDS 频率合成器 5， 由 DDS 频率合成器 5 给副 CPU4 提供精确的时钟， 经副 CPU4 芯片内分频后驱动多通道 DAC 输出给定波形的驱 动信号， 实现驱动输出波形频率的精确控制 ； 主 CPU3 并控制副 CPU4 的。
19、运行状态， 由副 CPU4 控制 DA 转换器 6 输出指定的波形。功率驱动级电路 7 主要采用模拟功率放大器实现对微 陀螺驱动波形进行功率放大， 实现微陀螺定子线圈的驱动。显示电路主要采用液晶屏实现 对驱动频率、 当前的波形和输出电压幅度等信息。 本驱动装置， 它的基本功能是能够输出常 用波形， 频率在可调范围 (0-35Mhz) 内可以任意设定。这些常用波形存储在主副 CPU 的片 内 EEPROM 内， 当用户有需求需要输出时， 副 CPU 可以调用存储在自己 EEPROM 或者主 CPU 的 EEPROM 里的波形数据进行输出， 再通过 DA 转换器和功率级驱动电路输出具有足够推力的 。
20、驱动信号， 驱动微陀螺转动。它的另一重要功能是可以对输出信号频率进行精确控制。副 CPU 运行的时钟源采用 DDS 频率合成器， 主 CPU 控制 DDS 频率合成器输出指定频率的方波， 给副 CPU 提供时钟信号， 经副 CPU 芯片内分频后驱动多通道 DAC 输出给定波形的驱动信号。 由于 DDS 频率合成器的频率是很精确的， 所以驱动信号的频率也是很精确的。 0025 图 2 是主 CPU 控制 DDS 给副 CPU 提供时钟源的电路示意图， DDS 的 D7、 REST、 W_CLK 和 FQ_UP 引脚分别与主 CPU 的 P3.4、 P3.5、 P3.3 和 P3.2 引脚相连， 。
21、让主 CPU 可以控制 DDS 的输出频率。DDS 的时钟输出 CLK 引脚与副 CPU 的 XTAL1 相连， 给副 CPU 提供采样时钟， 副 CPU 的 XTAL2 悬空。 0026 图 3 是主副 CPU 之间通过串口进行通信的原理图， 主 CPU 的 RX 引脚与副 CPU 的 TX 引脚相连， 主 CPU 的 TX 引脚与副 CPU 的 RX 引脚相连， 主副 CPU 的地线相连， 这样主副 CPU 之间就可以进行串口通信， 让主 CPU 可以将波形数据传递给副 CPU 让其输出。 0027 图 4 是副 CPU 控制 DAC 进行多通道输出的原理图， DAC 用的是 TLC562。
22、8 芯片， 其 CLK、 DATA、 LOAD 和 LDAC 分别与副 CPU 的 P3.3、 P3.2、 P3.5 和 P3.4 引脚相连， 让副 CPU 可以 控制 DAC 的各路输出。 0028 图 5 是 DA 的电路原理图， DAC 电路用的是 TLC5628C， 为 8 通道输出， 其 CLK 引脚与 副 CPU 的 P3.3 引脚相连， 其 DATA 引脚与副 CPU 的 P3.2 引脚相连， 其 LDAC 引脚与副 CPU 的 P3.4 引脚相连， 其 LOAD 引脚与副 CPU 的 P3.5 引脚相连， 这样副 CPU 就可以通过 SPI 控制 DAC 的每路输出去控制微陀螺。
23、的转动。 0029 图 6 微陀螺驱动电路的原理图， 由 DAC 某通道输出的信号经过图中 RL1、 RL2、 CL1、 CL2 构成的截止频率约 6kHz 的低通滤波器进行平滑滤波后， 进入功率级放大输出。每通道 的功率级电路均为由大功率集成运放 LM675 构成的反向比例放大电路， 其电压增益为 -1， 说 明 书 CN 103148846 A 5 4/5 页 6 输出电流可达3A。 经过放大后的信号由运放的4脚输出， 经过限流电阻RL6接入定子线圈， 驱动转子转动。 0030 图 7 是串口通信电路的原理图， PL2303 芯片的 TEST0 和 TEST1 引脚分别于 USB 借 口的。
24、 D- 和 D+ 相连， XT1 引脚与主 CPU 的 TXD 引脚相连， DGND 引脚与主 CPU 的 RXD 引脚相 连， 这样就可以让主CPU通过USB口与电脑进行串口通信， 接收从上位机软件传递过来的波 形数据和将主副 CPU 中存储的波形数据上传到电脑中， 对微陀螺的驱动进行控制。 0031 图 8 是本发明的主 CPU 的程序流程图， 主 CPU 上电后， 进行必要的初始化工作 ( 串 口、 SPI、 液晶屏、 DDS 等 )， 进入等待操作命令的状态。此后， 如果用户通过上位机软件向其 发送控制命令， 主 CPU 会根据命令码进行不同的操作 ： 0032 命令码 0x00 代表。
25、频率设定功能， 主 CPU 通过配置 DDS 的输出频率来改变副 CPU 的 运行速度， 进而改变输出信号的频率 ； 0033 命令码 0x01 代表下载波形功能， 如果用户选择将波形保存在主 CPU 的 EEPROM 中， 则主 CPU 通过调用 IAP 功能保存波形， 否则主 CPU 将波形数据转交给副 CPU 处理 ； 0034 命令码 0x02 代表上载波形功能， 如果用户选择从主 CPU 的 EEPROM 中读取波形， 则 主 CPU 读取 EEPROM 中对应的波形数据， 并发送给上位机， 否则主 CPU 从副 CPU 获取所需的 波形数据， 转发给上位机 ； 0035 命令码 0。
26、x03 代表输出开启功能， 主 CPU 首先与副 CPU 进行通讯， 控制副 CPU 选定 将要输出的波形 ( 通过设定副 CPU 内部的输出波形指针来决定输出波形的形状和相位 ) 并 设定输出信号的幅度， 接着通过继电器接通功率级电源， 将放大后的信号输出到驱动线圈 中 ； 0036 命令码 0x04 代表输出关闭功能， 主 CPU 通过继电器关掉功率级电源， 停止输出 ： 0037 其他命令码均为无效， 不执行任何操作。 0038 图 9 是副 CPU 的程序流程图， 副 CPU 上电后， 对串口、 SPI 和 DAC 进行初始化， 然后 进入等待操作命令的状态。此后， 若接到来自主 CP。
27、U 的控制命令， 则根据命令码执行不同操 作 ： 0039 命令码 0x00 代表下载波形功能， 副 CPU 首先将接收到的波形输出保存在自身的 SRAM 中， 如果主 CPU 命令要求波形掉电保存， 则副 CPU 通过调用 IAP 功能保存波形 ； 0040 命令码 0x01 代表上载波形功能， 副 CPU 将选定的波形数据取出， 并发送给主 CPU， 并通过主 CPU 转发给上位机 ； 0041 命令码 0x02 代表选择波形功能， 副 CPU 根据命令请求将 EEPROM 中保存的响应波 形数据取出， 并存放在 SRAM 中等待输出 ； 0042 命令码0x03代表设置幅度功能， 副CP。
28、U根据命令中写明的幅度值控制输出比例系 数， 进而改变 DAC 输出信号的幅度。 0043 其他命令码均为无效， 不执行任何操作。 0044 本发明是这样实现的 ： 这种微陀螺驱动装置可以让用户自己在上位机软件中绘制 微陀螺驱动波形， 然后由上位机软件采集波形数据并通过串口发送给微陀螺驱动装置的主 CPU， 主 CPU 将接收到的波形数据保存在自己的或副 CPU 的 EEPROM 和 FLASH 中， 通过数据总 线将波形数据加载到副 CPU 的芯片内 XRAM 中， 然后由副 CPU 控制 DA 及后级功率放大电路 进行输出。主 CPU 同时还控制 DDS 频率合成器， 给副 CPU 提供采。
29、样时钟， 并控制副 CPU 的运 说 明 书 CN 103148846 A 6 5/5 页 7 行状态。采样时钟同时作为副 CPU 运行的时钟源， 经副 CPU 片内分频后驱动多通道 DAC 输 出给定波形的驱动信号。 0045 本发明装置中存在两个嵌入式CPU， 分别带有Flash和EEPROM存储器， 故可以分别 存储波形表数据。每组波形表可以存储多达 850 个固定波形数据和 16 个用户自定义波形 数据。其中主波形表位于副 CPU 上， 存储较常用的波形， 如输出正弦波、 方波和三角波， 可以 根据需要随时进行输出。备用波形表位于主 CPU 上， 可以再用户请求时通过两个 CPU 之间。
30、 的数据总线加载到副 CPU 的片内 XRAM 中。副 CPU 的 EEPROM 中保存有常见的波形， 可以直 接通过驱动功率级电路进行输出控制微陀螺的转动。由于嵌入式系统灵活易用的特性， 本 系统能够输出 8 路任意波形信号， 各路信号之间的相位差可以根据需要任意设定， 最小分 辨率为 6， 甚至还可以在不同通道输出不同波形的信号， 并对其相位进行精确控制。 0046 主副 CPU 用的 STC12C5A60S2 单片机， LQFP-44 封装， 具有 40 个 IO 口， 它有 1Kb 的 EEPROM， 可以用来存放波形数据。主副 CPU 都有 UART， 主 CPU 的 UART 可用。
31、来与电脑进行串 口通信， P3.0 与 P3.1 引脚， 还可与副 CPU 通信来控制副 CPU， 与副 CPU 的 P3.0 与 P3.1 引脚 相连。DAC 电路用的是 TLC5628C， 为 8 通道输出， 其 CLK 引脚与副 CPU 的 P3.3 引脚相连， 其 DATA 引脚与副 CPU 的 P3.2 引脚相连， 其 LDAC 引脚与副 CPU 的 P3.4 引脚相连， 其 LOAD 引 脚与副 CPU 的 P3.5 引脚相连。串口电路所用芯片是 PL2303， 可以将 USB 信号转换为串口 信号， 实现单片机与电脑的通信。放大器用的是 LM675 放大芯片， 将 DA 的输出进。
32、行功率放 大驱动微陀螺。DDS 电路所用芯片是 AD9850， 它靠一个 125M 的有源晶振提供时钟源， 给副 CPU 提供时钟源。显示单元采用的是一块 KM12864 液晶显示屏， 显示单元与主 CPU 连接。 说 明 书 CN 103148846 A 7 1/4 页 8 图 1 图 2 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103148846 A 8 2/4 页 9 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103148846 A 9 3/4 页 10 图 7 图 8 说 明 书 附 图 CN 103148846 A 10 4/4 页 11 图 9 说 明 书 附 图 CN 103148846 A 11 。