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摘 要：传统陀螺仪的测控电路是由分立的模拟电路组成，陀螺仪输出信号的性能易受温度等环境因素影响。针对以上问题，文章基于Altera公司的MAX系列FPGA芯片，设计实现了MEMS陀螺仪的驱动与检测电路系统。系统主要包含PLL模块、ADC控制模块、数据解算模块、DDS模块、自动增益控制模块和SPI控制模块。通过FPGA开发板进行下板测试，由PC端的信号采集与测试平台得出：扫频模式下MEMS陀螺仪三轴的谐振频率分别为5 485、5 513、5 462 Hz;闭环模式下MEMS陀螺仪三轴的角速度分别为0.000 193，0.003 409和0.005 329;同时系统运行稳定，实时性比较好，为后续的标定和测试奠定了一定的基础。
关键词：微机械陀螺仪;MEMS技术;FPGA
0 引言
MEMS技术[1-2]结合了微精密机械加工技术和半导体制造技术等先进制造技术，同时涵盖了如微电子学、材料学、力学、化学、机械学等诸多学科领域。硅微机械陀螺仪是MEMS技术在惯性导航领域的重要应用之一，它利用哥氏（Coriolis）效应测量敏感轴的输入角速率[3-4]。传统陀螺仪的测控电路主要由分立的模拟元器件组成，其输出信号性能参数易受环境温度的影响[5-6]，同时诸多先进的信号处理算法也难以实现[7]，最终限制了陀螺仪测控电路性能的提升。本文采用FPGA进行陀螺仪测控电路的设计，可以有效地降低角速度输出噪声，提高输出角速度数据的精度。
1 MEMS陀螺仪工作原理
MEMS陀螺仪由上下左右4个弹簧振子组成，弹簧振子的两端是极性电容，当外部给陀螺驱动信号时，弹簧振子会发生震动，拉动两端的极性电容，致使电容的大小发生变化，当电容发生变化时，会产生相应的正弦波信号，这个正弦波信号就是陀螺产生的驱动反馈信号（左右方向），竖直方向为外部输入的驱动信号。MEMS陀螺仪通常有两个方向的可移动电容板。外部给陀螺仪径向的电容板加震荡电压促使物体作径向运动，横向的电容板可以测量出横向的科里奥利力因为横向运动带来的电容变化。因为科里奥利力正比于角速度，所以通过电容的变化可以计算出角速度。
2 系统总体设计
基于FPGA的MEMS陀螺仪驱动与检测电路设计由6个模块组成，系统总体结果框图如图1所示，分别是时钟分频模块、ADS1278驱动模块、数据结算模块、DDS控制驱动模块、FPGA总控制模块、SPI驱动模块。系统工作时，DDS模块发送驱动信号给陀螺仪，使陀螺仪产生反馈信号通过AD采集将信号传入FPGA的解算模块，然后将解算的值在总控制模块中进行闭环控制，通过改变驱动信号幅值形成一个闭环回路，SPI模块可以将FPGA内部数据实时传输给上位机，以便上位机控制和测试。
3 系统测试与验证
在完成FPGA系统所有的模块代码编写与各模块功能测试后，将全部的模块组合成一个顶层模块，然后全编译总工程。将编译综合后生成的工程下载到FPGA开发板中，下载完成后打开PC端的信号采集与控制平台软件，可以看到系统首先默认以闭环模式运行。陀螺仪正常工作的前提是静电驱动先得到谐振频率，此系统在扫频模式下可以自动寻找陀螺仪的谐振频率，通过PC软件设置系统的工作模式为扫频模式，可以观察到系统开始对陀螺仪进行扫频，经过2 min左右得到如图2所示谐振频率点的谐振频率，可以看到此陀螺表头三轴陀螺的谐振频率分别为5 485，5 513和5 462 Hz。
当系统测试在扫频模式下得到谐振频率后，在系统中将驱动信号的默认频率设置为谐振频率，设置驱动信号赋值为1.9 V，然后开始闭环检测，可以观测到角速度的结果是由检测信号赋值乘以12相位差，测试结果如图3所示分别为 0.000 193，0.003 409和0.005 329。
4 结语
基于FPGA的MEMS陀螺仪驱动与检测电路设计，主要实现了陀螺仪数据实时上报PC端，能够对该系统进行仿真，可以在系统扫频模式下得到驱动赋值和陀螺仪的谐振频率，由于不同的表头谐振频率不同，所以需要不同频率的驱动信号对陀螺仪进行驱动。通过FPGA对测控电路进行闭环控制，实现了电路的输出、自标定、自检测、自补偿，提高了陀螺的测量精度，让其提高在不同温度下、不同环境中的适应能力，对陀螺仪测控系统的数字化有着重要意义。
基金项目：安康学院2019年国家级大学生创新创业训练计划项目;项目编号：201911397010 。安康学院2020年省级大学生创新创业训练计划项目;项目编号：S202011397053。
[参考文献]
[1]汤丽，郭锋，刘玉县，等.基于FPGA的谐振陀螺正弦信号检测方法研究[J].传感器与微系统，2020（39）：4-10.
[2]田梦雅，张卫平，谷留涛，等.基于微多环谐振陀螺仪的馈通效应研究[J].光电器件，2020（4）：54-58.
[3]王晓雷，赵向阳，刘玉翠，等.微陀螺仪检测控制系统设计与实现[J].自动化仪表，2016（37）：50-53.
[4]龙善丽，唐兴刚，童紫平.一种新的MEMS陀螺仪四相位闭环集成驱动电路[J].微电子学，2016（46）：792-795.
[5]陈竟成，许高斌，马渊明，等.对称分布的三轴谐振陀螺仪的设计、分析与仿真[J].传感技术学報，2016（29）：1335-1340.
[6]陈俊.基于ARM和FPGA的高精度数据采集控制及处理系统设计[D].成都：电子科技大学，2019.
[7]朱昆朋.硅微机械陀螺仪性能提升技术研究与试验[D].南京：东南大学，2017.
（编辑 何 琳） Design of driving and detecting circuit for MEMS gyroscope
Wang Tao， Wang Song， Cui Zhijun
（College of Electronic and Information Engineering， Ankang University， Ankang 725000， China）
Abstract：Since the measurement and control circuit of traditional gyroscope is composed of discrete analog circuits， the performance of the gyroscope’s output signal is susceptible to temperature and other factors. Based on Altera’s MAX series FPGA chips， this paper designs and implements the MEMS gyroscope driving and detection circuit system. The system mainly includes PLL module， ADC control module， data calculation module， DDS module， automatic gain control module and SPI control module. The FPGA development board is used to test the system through signal acquisition and testing platform based on PC： the resonant frequencies of the three axes found in the sweep mode are 5 485， 5 513， and 5 462 Hz; the angular velocity of the three axes of the MEMS gyroscope in closed-loop mode is 0.000 193， 0.003 409， and 0.005 329; the system is stable in operation and strong in real-time， which lays a certain foundation for subsequent calibration and testing.
Key words：micromechanical gyroscope; MEMS technology; FPGA
作者簡介：王涛（1997— ），男，陕西宝鸡人，工程师，学士;研究方向：嵌入式系统集成。
关键词：微机械陀螺仪;MEMS技术;FPGA
0 引言
MEMS技术[1-2]结合了微精密机械加工技术和半导体制造技术等先进制造技术，同时涵盖了如微电子学、材料学、力学、化学、机械学等诸多学科领域。硅微机械陀螺仪是MEMS技术在惯性导航领域的重要应用之一，它利用哥氏（Coriolis）效应测量敏感轴的输入角速率[3-4]。传统陀螺仪的测控电路主要由分立的模拟元器件组成，其输出信号性能参数易受环境温度的影响[5-6]，同时诸多先进的信号处理算法也难以实现[7]，最终限制了陀螺仪测控电路性能的提升。本文采用FPGA进行陀螺仪测控电路的设计，可以有效地降低角速度输出噪声，提高输出角速度数据的精度。
1 MEMS陀螺仪工作原理
MEMS陀螺仪由上下左右4个弹簧振子组成，弹簧振子的两端是极性电容，当外部给陀螺驱动信号时，弹簧振子会发生震动，拉动两端的极性电容，致使电容的大小发生变化，当电容发生变化时，会产生相应的正弦波信号，这个正弦波信号就是陀螺产生的驱动反馈信号（左右方向），竖直方向为外部输入的驱动信号。MEMS陀螺仪通常有两个方向的可移动电容板。外部给陀螺仪径向的电容板加震荡电压促使物体作径向运动，横向的电容板可以测量出横向的科里奥利力因为横向运动带来的电容变化。因为科里奥利力正比于角速度，所以通过电容的变化可以计算出角速度。
2 系统总体设计
基于FPGA的MEMS陀螺仪驱动与检测电路设计由6个模块组成，系统总体结果框图如图1所示，分别是时钟分频模块、ADS1278驱动模块、数据结算模块、DDS控制驱动模块、FPGA总控制模块、SPI驱动模块。系统工作时，DDS模块发送驱动信号给陀螺仪，使陀螺仪产生反馈信号通过AD采集将信号传入FPGA的解算模块，然后将解算的值在总控制模块中进行闭环控制，通过改变驱动信号幅值形成一个闭环回路，SPI模块可以将FPGA内部数据实时传输给上位机，以便上位机控制和测试。
3 系统测试与验证
在完成FPGA系统所有的模块代码编写与各模块功能测试后，将全部的模块组合成一个顶层模块，然后全编译总工程。将编译综合后生成的工程下载到FPGA开发板中，下载完成后打开PC端的信号采集与控制平台软件，可以看到系统首先默认以闭环模式运行。陀螺仪正常工作的前提是静电驱动先得到谐振频率，此系统在扫频模式下可以自动寻找陀螺仪的谐振频率，通过PC软件设置系统的工作模式为扫频模式，可以观察到系统开始对陀螺仪进行扫频，经过2 min左右得到如图2所示谐振频率点的谐振频率，可以看到此陀螺表头三轴陀螺的谐振频率分别为5 485，5 513和5 462 Hz。
当系统测试在扫频模式下得到谐振频率后，在系统中将驱动信号的默认频率设置为谐振频率，设置驱动信号赋值为1.9 V，然后开始闭环检测，可以观测到角速度的结果是由检测信号赋值乘以12相位差，测试结果如图3所示分别为 0.000 193，0.003 409和0.005 329。
4 结语
基于FPGA的MEMS陀螺仪驱动与检测电路设计，主要实现了陀螺仪数据实时上报PC端，能够对该系统进行仿真，可以在系统扫频模式下得到驱动赋值和陀螺仪的谐振频率，由于不同的表头谐振频率不同，所以需要不同频率的驱动信号对陀螺仪进行驱动。通过FPGA对测控电路进行闭环控制，实现了电路的输出、自标定、自检测、自补偿，提高了陀螺的测量精度，让其提高在不同温度下、不同环境中的适应能力，对陀螺仪测控系统的数字化有着重要意义。
基金项目：安康学院2019年国家级大学生创新创业训练计划项目;项目编号：201911397010 。安康学院2020年省级大学生创新创业训练计划项目;项目编号：S202011397053。
[参考文献]
[1]汤丽，郭锋，刘玉县，等.基于FPGA的谐振陀螺正弦信号检测方法研究[J].传感器与微系统，2020（39）：4-10.
[2]田梦雅，张卫平，谷留涛，等.基于微多环谐振陀螺仪的馈通效应研究[J].光电器件，2020（4）：54-58.
[3]王晓雷，赵向阳，刘玉翠，等.微陀螺仪检测控制系统设计与实现[J].自动化仪表，2016（37）：50-53.
[4]龙善丽，唐兴刚，童紫平.一种新的MEMS陀螺仪四相位闭环集成驱动电路[J].微电子学，2016（46）：792-795.
[5]陈竟成，许高斌，马渊明，等.对称分布的三轴谐振陀螺仪的设计、分析与仿真[J].传感技术学報，2016（29）：1335-1340.
[6]陈俊.基于ARM和FPGA的高精度数据采集控制及处理系统设计[D].成都：电子科技大学，2019.
[7]朱昆朋.硅微机械陀螺仪性能提升技术研究与试验[D].南京：东南大学，2017.
（编辑 何 琳） Design of driving and detecting circuit for MEMS gyroscope
Wang Tao， Wang Song， Cui Zhijun
（College of Electronic and Information Engineering， Ankang University， Ankang 725000， China）
Abstract：Since the measurement and control circuit of traditional gyroscope is composed of discrete analog circuits， the performance of the gyroscope’s output signal is susceptible to temperature and other factors. Based on Altera’s MAX series FPGA chips， this paper designs and implements the MEMS gyroscope driving and detection circuit system. The system mainly includes PLL module， ADC control module， data calculation module， DDS module， automatic gain control module and SPI control module. The FPGA development board is used to test the system through signal acquisition and testing platform based on PC： the resonant frequencies of the three axes found in the sweep mode are 5 485， 5 513， and 5 462 Hz; the angular velocity of the three axes of the MEMS gyroscope in closed-loop mode is 0.000 193， 0.003 409， and 0.005 329; the system is stable in operation and strong in real-time， which lays a certain foundation for subsequent calibration and testing.
Key words：micromechanical gyroscope; MEMS technology; FPGA
作者簡介：王涛（1997— ），男，陕西宝鸡人，工程师，学士;研究方向：嵌入式系统集成。