MEMS惯性传感器并行测试数据的采集系统设计与降噪处理方法
发布时间：2022-01-10 12:25
MEMS惯性元件广泛应用于当今的工业、军工业以及消费电子行业,有着大量的市场需求。在MEMS元件大批量生产的同时,如何提高其测试效率并控制测试成本,是当前研究的热点。本文为改进现有的单片MEMS测试系统,设计了一种并行MEMS测试数据采集方案。方案以硬件设计为主,同时,从硬件优化和算法设计两方面对系统采集到的MEMS信号进行降噪处理。本文首先介绍了并行测试系统结构的设计思路。以转台为测试载体,测试数据从MEMS输出后经过采集和传输两个步骤。数据采集使用8片8通道ADC实现多路模拟信号同步采集,由FPGA并行接收数据。数据传输跨越转台定转子,通过FPGA、USB2.0芯片和电滑环实现。本文还对包括数据采集电路模拟元件的器件噪声和实际场景的MEMS实测信号进行了降噪处理。器件噪声主要包括电阻热噪声、元件1/f噪声、电源纹波噪声以及ADC的相位噪声、开关噪声和量化噪声等,对各类噪声进行了建模并给出了详细的数学模型表达式,从硬件设计角度和实际操作角度给出了降低噪声影响的建议和方法。为了对实际系统输出的MEMS信号进行除噪,本文还基于小波分析的基本原理,使用Mallat算法和阈值去噪方法完成了信...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
并行测试系统结构功能图
为了设计一个通用的数据采集模块，不仅需要满足采样接口的通用保证采样性能有足够的容量。在设计时，设定 MEMS 输出信号的最 1000Hz，该频率基本能够包含所有的 MEMS 测试输出频率。为了波形有较高的还原度，设定采样输出频率ODRf 与采样输入信号频率值在 10~100 之间，即ODRf 在 10ksps~100ksps 之间，同时保证每个采真实还原信号幅值，设定采样分辨率位数不低于 24 位。为了较大限度地提高单次实验的 MEMS 测量数量，系统采用 64 路输入，以 MEMS 三轴陀螺仪或加速度计为例，相比较原先的单个测MEMS 的测量效率可提高约 20 倍。为了实现对 64 路输入的高速同需要使用并行运算能力较强的嵌入式芯片，本项目采用 FPGA 芯片采集模块的核心。同时，为了满足对不同型号 MEMS 的输出采样需求，需要对 MEM电平做统一的转换，使用扩展的电平转换电路增强采样接口的通用，采样输出到 FPGA 之间同样需要电平转换与电磁隔离电路，用以字器件之间的数据传输可靠性做出保证。图 2-2 是数据采集功能实现的结构图。
能够满足需求。对两个方案，做出如下分析：案一的优点在于 SPI 等串口协议实现较为简单，可以直接使用辑实现，但缺点在于增加了转台与上位机之间的机械连接负担强度较大、测试吞吐量较高的情况下，会增加设备维护成本，与传输线数量相关，并行能力的可扩展性不足。案二的优点在于避免了上位机与转台之间的多数据线连接，设过程更加简易，且传输带宽容量大，可扩展性好。缺点在于传为复杂，硬件数量相比方案一较多，增加了传输过程数据的出合比较两种方案，为了实现测试系统的标准化和高容量，在本采用 USB2.0 传输协议来进行数据传输。机械连接的角度考虑，即使是只用一组数据输出，也存在线路减问题，因此，考虑在转台与上位机之间，加入滑环代替导线说，工业级的电滑环转动速率可以达到每分钟千转以上，转动千万转，可以很好地承担高频测试的电信号传输任务。据传输功能实现的结构示意图如图 2-3 所示：
【参考文献】：
期刊论文
[1]直流电源纹波和噪声测量[J]. 席安和. 电子质量. 2018(02)
[2]模块电源纹波电压的测量与有效抑制[J]. 刘扬. 计量与测试技术. 2018(01)
[3]了解及消除1/f噪声[J]. Robert Kiely. 中国电子商情(基础电子). 2017(10)
[4]MEMS加速度计在不同量程下的温度影响性能测试方法[J]. 袁雪松. 物联网技术. 2017(08)
[5]基于双弹头Hopkinson杆的高g值加速度传感器的动态线性分析[J]. 杨志才,石云波,董胜飞,陈艳香,智丹. 传感技术学报. 2015(07)
[6]高效率的MEMS陀螺管芯动态特性测试方法[J]. 邓焱,邢超,张嵘,周斌. 清华大学学报(自然科学版). 2014(06)
[7]不等基频硅微谐振式加速度计[J]. 陈卫卫,黄丽斌,杨波. 传感技术学报. 2011(11)
[8]四阶Sigma-Delta微加速度计系统设计与分析[J]. 刘晓为,刘云涛,姜一鸣,尹亮. 哈尔滨工业大学学报. 2011(07)
[9]硅微谐振式加速度计的实现及性能测试[J]. 石然,裘安萍,苏岩. 光学精密工程. 2010(12)
[10]硅微谐振式加速度计技术现状及展望[J]. 万蔡辛,李丹东,张承亮,陈效真. 导航与控制. 2010 (02)
硕士论文
[1]MEMS惯性传感器自动批量测试标定系统的研究[D]. 印娟.南京理工大学 2017
[2]复杂机载环境下的MEMS航姿系统性能优化技术研究[D]. 常健.南京航空航天大学 2015
[3]基于MEMS惯性传感器的高精度姿态测量关键技术研究[D]. 陈曦.浙江大学 2014
本文编号：3580705
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
并行测试系统结构功能图
为了设计一个通用的数据采集模块，不仅需要满足采样接口的通用保证采样性能有足够的容量。在设计时，设定 MEMS 输出信号的最 1000Hz，该频率基本能够包含所有的 MEMS 测试输出频率。为了波形有较高的还原度，设定采样输出频率ODRf 与采样输入信号频率值在 10~100 之间，即ODRf 在 10ksps~100ksps 之间，同时保证每个采真实还原信号幅值，设定采样分辨率位数不低于 24 位。为了较大限度地提高单次实验的 MEMS 测量数量，系统采用 64 路输入，以 MEMS 三轴陀螺仪或加速度计为例，相比较原先的单个测MEMS 的测量效率可提高约 20 倍。为了实现对 64 路输入的高速同需要使用并行运算能力较强的嵌入式芯片，本项目采用 FPGA 芯片采集模块的核心。同时，为了满足对不同型号 MEMS 的输出采样需求，需要对 MEM电平做统一的转换，使用扩展的电平转换电路增强采样接口的通用，采样输出到 FPGA 之间同样需要电平转换与电磁隔离电路，用以字器件之间的数据传输可靠性做出保证。图 2-2 是数据采集功能实现的结构图。
能够满足需求。对两个方案，做出如下分析：案一的优点在于 SPI 等串口协议实现较为简单，可以直接使用辑实现，但缺点在于增加了转台与上位机之间的机械连接负担强度较大、测试吞吐量较高的情况下，会增加设备维护成本，与传输线数量相关，并行能力的可扩展性不足。案二的优点在于避免了上位机与转台之间的多数据线连接，设过程更加简易，且传输带宽容量大，可扩展性好。缺点在于传为复杂，硬件数量相比方案一较多，增加了传输过程数据的出合比较两种方案，为了实现测试系统的标准化和高容量，在本采用 USB2.0 传输协议来进行数据传输。机械连接的角度考虑，即使是只用一组数据输出，也存在线路减问题，因此，考虑在转台与上位机之间，加入滑环代替导线说，工业级的电滑环转动速率可以达到每分钟千转以上，转动千万转，可以很好地承担高频测试的电信号传输任务。据传输功能实现的结构示意图如图 2-3 所示：
【参考文献】：
期刊论文
[1]直流电源纹波和噪声测量[J]. 席安和. 电子质量. 2018(02)
[2]模块电源纹波电压的测量与有效抑制[J]. 刘扬. 计量与测试技术. 2018(01)
[3]了解及消除1/f噪声[J]. Robert Kiely. 中国电子商情(基础电子). 2017(10)
[4]MEMS加速度计在不同量程下的温度影响性能测试方法[J]. 袁雪松. 物联网技术. 2017(08)
[5]基于双弹头Hopkinson杆的高g值加速度传感器的动态线性分析[J]. 杨志才,石云波,董胜飞,陈艳香,智丹. 传感技术学报. 2015(07)
[6]高效率的MEMS陀螺管芯动态特性测试方法[J]. 邓焱,邢超,张嵘,周斌. 清华大学学报(自然科学版). 2014(06)
[7]不等基频硅微谐振式加速度计[J]. 陈卫卫,黄丽斌,杨波. 传感技术学报. 2011(11)
[8]四阶Sigma-Delta微加速度计系统设计与分析[J]. 刘晓为,刘云涛,姜一鸣,尹亮. 哈尔滨工业大学学报. 2011(07)
[9]硅微谐振式加速度计的实现及性能测试[J]. 石然,裘安萍,苏岩. 光学精密工程. 2010(12)
[10]硅微谐振式加速度计技术现状及展望[J]. 万蔡辛,李丹东,张承亮,陈效真. 导航与控制. 2010 (02)
硕士论文
[1]MEMS惯性传感器自动批量测试标定系统的研究[D]. 印娟.南京理工大学 2017
[2]复杂机载环境下的MEMS航姿系统性能优化技术研究[D]. 常健.南京航空航天大学 2015
[3]基于MEMS惯性传感器的高精度姿态测量关键技术研究[D]. 陈曦.浙江大学 2014
本文编号：3580705
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