一种微型六维加速度传感器的信号采集与处理系统的研究

摘要

六维加速度传感器（six-axisaccelerometer）可以实现物体运动的六维加速度（包括三维线加速度和三维角加速度）的传感。通过对传感得到的六维加速度进行积分，可以获得物体运动的速度、位置和姿态信息。因此，六维加速度传感器在自动化控制、交通工具监测、地震监测、机器人控制、导航技术等领域有着广阔的应用前景。微型化是六维加速度传感器的发展趋势。利用多个微型单轴加速度传感器构成的微型六维加速度传感器具有灵活度高、成本低、体积小等优点。为了实现其实用化，必须研究和开发一种具有低成本、小型化、高精度的信号采集与处理系统。目前，微型六维加速度传感器的信号采集与处理系统尚没有成熟的方案。
　　针对本实验室发明和开发的一种基于六个微型单轴加速度传感器的微型六维加速度传感器，本文提出了一种信号采集与处理系统的原理与结构，设计并开发了信号采集与处理系统的硬件电路及其软件系统。在此基础上，建立了信号采集与处理系统的实验测试系统，对信号采集与处理系统的性能进行了测试和分析。
　　本文的主要工作和研究成果包括：
　　1．分析了微型六维加速度传感器的原理、结构及传感特性。在此基础上，提出了一种信号采集与处理系统的原理与结构。系统由核心板和扩展板组成，实现信号采集、信号处理和输出接口功能。其中，核心板负责系统的信号处理并控制扩展板上的各个功能单元协调工作，扩展板在核心板控制下进行信号采集并将处理后的信号通过输出接口单元输出至外部设备。通过该方案可以实现信号采集与处理系统的模块化和小型化。
　　2．设计并开发了信号采集与处理系统的硬件电路，包括核心板和扩展板两部分。核心板利用数字信号处理器（DigitalSignalProcessor,DSP）及其外围电路实现微型六维加速度传感器输出信号的处理和对扩展板上器件的控制。扩展板利用模数（A/D）转换电路、数模（D/A）转换电路和通用串行总线（UniversalSerialBus,USB）接口电路分别实现系统的信号采集、模拟信号输出和数字信号输出功能。
　　3．设计并开发了信号采集与处理系统的软件系统。软件系统由信号采集模块、信号处理模块和输出接口模块组成，结合硬件电路具体实现信号采集、数据处理和数据输出的功能。
　　4．建立了微型六维加速度传感器的信号采集与处理系统的实验测试系统，实验测试结果表明，设计并开发的信号采集与处理系统能够实现对微型六维加速度传感器输出信号的实时采集、处理和输出。信号采集与处理系统A/D采集误差为±0.01V，线加速度求解误差为±0.05m/s2，角加速度求解误差为±1.5rad/s2。
　　本文的研究工作提供了一种微型六维加速度传感器的信号采集与处理系统的原理及方案，为微型六维加速度传感器的实用化奠定了基础。

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1 绪 论

1.1 引言

1.2 六维加速度传感器技术

1.3 信号采集与处理技术

1.4 本文研究的目的、内容和研究意义

2 微型六维加速度传感器的信号采集与处理系统原理

2.1 引言

2.2 微型六维加速度传感器

2.3 信号采集与处理系统原理与结构

2.4 本章小结

3 信号采集与处理系统的硬件电路设计与实现

3.1 引言

3.2 硬件电路的总体设计

3.3 核心板的设计与实现

3.4 扩展板的设计与实现

3.5 PCB设计与制作

3.6 本章小结

4 信号采集与处理系统的软件设计与实现

4.1 引言

4.2 信号采集与处理系统软件的总体设计

4.3 系统初始化程序设计

4.4 信号采集模块的设计与实现

4.5 信号处理模块的设计与实现

4.6 输出接口模块的设计与实现

4.7 本章小结

5 特性评价与实验测试分析

5.1 引言

5.2 实验原理与系统组成

5.3 实验测试及结果

5.4 本章小结

6 全文总结与展望

6.1 主要研究工作

6.2 主要贡献及创新点

6.3 后续研究工作与展望

致谢

参考文献

附 录