基于FPGA的MEMS数字陀螺仪设计

摘要

MEMS陀螺仪的数字化实现对提高陀螺仪稳定性、精度等性能有重要意义，同时数字化后也便于陀螺仪工作参数的配置以及数据的存储、处理和交换。为了达到以上目的，论文对基于FPGA的MEMS数字陀螺仪板级系统进行了分析和研究。 论文研究的主要内容包括MEMS陀螺仪模拟信号调理、模数转换、数字信号处理、FPGA内部逻辑控制等。其中，MEMS陀螺仪的模拟信号调理电路实现陀螺仪微小信号的放大和初步的模拟滤波功能，调理后的信号通过AD采集转换处理后输入到FPGA中，在FPGA内部经过进一步FIR数字滤波后存储到相应的数据寄存器，然后通过I2C接口将处理完成后的数据输出或者通过UART传输数据到电脑端。 首先，在理论上分析整个系统最前端陀螺仪模拟信号的特征，对模拟信号调理电路进行设计，其主要是放大和滤波电路的设计。其次，根据MEMS数字陀螺仪的量程和分辨率等参数确定AD的选型。最后，根据FPGA所要完成的测控模块的复杂度、数字滤波算法的精度完成FPGA的选型。对于模拟信号调理电路、AD转换电路等部分采用Proteus进行前期设计，通过电路仿真绘制出电路的传输特性曲线。对于FPGA中数字滤波算法以及各模块的控制逻辑，借助Quartus II和Modelsim进行设计综合与仿真。在对FIR数字滤波器的设计中，借助Matlab等工具，完成窗函数的选型、滤波器阶数和滤波系数的确定最终，此外，FPGA中FIR数字滤波的效果通过Matlab的频域分析来完成。 论文的研究中涉及MEMS惯性器件技术、微电子技术、数字信号处理技术、可编程逻辑器件、嵌入式开发等技术。

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