基于LabVIEW的三轴微惯性器件测试与分析.doc

三轴微惯性器件测试与分析 测控技术与仪器专业课程设计 三轴微惯性器件测试与分析 学生学号： 学生姓名： 班 级： 指导教师： 起止日期： 2013年10月 哈尔滨工程大学自动化学院一设计要求： 1.了解三轴加速度陀螺仪模块、地磁、压强和温度模块的原理和开发使用方法2.设计针对三轴惯性器件、地磁、压强和温度模块的信号采集电路，用ARM单片机实现采集电路，对陀螺和加速度计、地磁、压强和温度的输出信号进行采集、处理及传送到上位机3.用串口或USB口实现数据传送。对组合系统的输出信号进行存储分析。具体要求：1、信号采集电路设计并焊接成电路板。 2、编写采集数据的程序并传送到上位机。上位机接收存储成文本文件程序。进行采集数据分析。计算硅微陀螺输出数据统计特性，均值，方差等。3、针对数据分析结果计算常值漂移和随机漂移。二设计方案：系统设计分为硬件和软件两方面，硬件系统是软件系统的基础，软件系统基于硬件系统的要求进行设计。该监控系统由下位机和上位机组成，上位机以LabVIEW编写了一个图形化的显示界面，并且对数据进行存储，下位机以STM32F103单片机作为核心，负责与传感器模块进行IIC通信，读取三轴加速度、三轴陀螺仪、地磁、温度、压强信息，然后通过串口向上位机发送； LabVIEW 虚拟仪器 PC机 STM32单片机GY-80传感器 UARTIIC 系统总体框图1.硬件设计方案硬件方案主要是对下位机进行设计，下位机我们采用STM32F103单片机作为系统核心，负责与传感器模块进行IIC通信，读取三轴加速度、三轴陀螺仪、地磁、温度、压强信息，然后通过串口向上位机发送。硬件系统框图如下： 电源管理加速度计地磁传感器陀螺仪电源指示STM32F103C8T6 PC PL2303 硬件系统框图2.软件设计方案软件系统有上位机软件和下位机软件两部分，它们之间通过串口协议进行通信。下位机软件是嵌入到stm32单片机内的嵌入式编程，读取传感器的信息，再将信息通过串口发给上位机；上位机软件系统通过事先约定好的通信协议，解析串口接受的数据，得到三轴加速度、三轴陀螺仪、地磁、温度、压强信息，然后利用LABVIEW强大的图形显示功能，方便的显示在用户面前。2.1上位机软件设计： 上位机是将信息在用户电脑上进行显示的软件系统。上位机主要组成部分是串口配置，数据扫描，显示三部分，LabVIEW是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言， LabVIEW采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序，VI指虚拟仪器，是 LabVIEW 的程序模块，LabVIEW 提供很多外观与传统仪器，可用来方便地创建用户界面。用户界面在 LabVIEW 中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G代码。LabVIEW 的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。LabVIEW程序的主要组成部分有：串口的配置、串口数据的扫描读取、数据信息的显示三部分组成。上位机软件框图如图所示： 上位机软件设计框图2.2.下位机软件设计： 下位机软件需要干两个事情，一个是读取信息，另一个是发送信息。读取信息需要用的I/O口，所以系统需要初始化I/O口，另外发送信息是串口协议，所以我们需要用到UART模块。下位机软件组成框图如下图所示：读取hmc5883l 开始 初始化RCC 读取ADXL345初始化GPIO读取L3G4200D读取BMP085初始化UART串口发送数据 初始化IIC3 设计内容：GY-80传感器模块电路设计 GY-80传感器是一款基于MEMS技术的微型加速度、陀螺仪、地磁、温度和压强传感器。它的功能非常强大，信息提供的非常多，价格还非常的低廉。GY-80模块采用沉金PCB工艺，使用芯片：L3G4200D+ADXL345+HMC5883L+BMP085，供电电源：3-5v，通信方式：IIC通信协议(完全兼容3-5v系统)。 IIC ，这种总线类型是由飞利浦半导体公司在八十年代初设计出来的，主要是用来连接整体电路(ICS) ，IIC是一种多向控制总线，也就是说多个芯片可以连接到同一总线结构下，同时每个芯片都可以作为实施数据传输的控制源。这种方式简化了信号传输总线。 I2C串行总线一般有两根信号线，一根是双向的数据线SDA，另一根是时钟线SCL。所有接到I2C总线设备上的串行数据SDA都接到总线的SDA上，各设备的时钟线SCL接到总线的SCL上。 GY-80的电路设计如下图所示： GY-80与stm32接口电路图 四调试结果分析及结论系统测试分为三部分进行，分别是：加速计测试、陀螺仪测试和地磁测试。1.三轴加速度计测试测试仪器：稳定平台、PC机。测试方法：将三轴陀螺仪的X轴、Y轴、Z轴对准东北天、北天东、天东北、南地东、地西北、西南地。测量三轴加速度的值200个，然后计算方差和均值。 表1加速度测试数据分析表X轴Y轴 Z轴加速度项目均值/g方差均值/g方差均值/g方差东北天0.01295650.000012191-0.007136710.000009895 -0.975358850.000019223北天东-0.04695240.000013121-1.003293510.00001521 0.02987340.00002115 天东北-0.98275780.0000267520.078481820.0000097240.06172310.000024186 西南地0.017838610.000015619-0.006001310.0000152631.020345160.000014811 南地东-0.02678310.0000123780.98139520.000011922-0.05822380.000025112 地西北1.005943210.000041419-0.023216450.0000462090.06116290.000079631 数据分析：以地西北安装位置X轴的200个数据作图如下图所示： 图1地西北X轴加速度从图1中可以看出，X轴测量重力加速度的值稳定在1.005g附近，偏差在0.01g附近，还不排除测量时的振动影响。2.三轴陀螺仪测试测试仪器：高精度单轴转台、PC机一台测试方法：将传感器的Z轴安装在转台的旋转轴上，然后设定+5、-5、+10、-10、+15、-15、+20、-20、+25、-25、+30、-30、+35、-35/s的转速进行测量。转台w。(/s)项目+5+10+15+20+25+30采集w。(/s)均值5.54910.55615.49720.78725.90430.951方差0.23760.24630.21910.15020.09340.0718转台w。(/s)项目-5-10-15-20-25-30采集w。(/s)均值-4.072-9.250-14.204-19.298-24.309-29.601方差0.07140.18310.15130.21520.20990.2365 表2 陀螺仪转速测试表 从表2中可以看到陀螺仪采集的转速与转台的转速基本吻合，而且方差较小。下图绘制了转台为30/s的陀螺输出曲线。 图2转台转30/s的陀螺输出曲线陀螺的常值漂移：=AVRAGE(w-w。)=0.560/s3.三轴地磁测试测试仪器：稳定平台、PC机一台测试方法：将传感器的平台上，安放、位置进行测量。测试结果：将三轴地磁的X轴、Y轴、Z轴对准东北天、北天东、天东北、南地东、地西北、西南地。测量三轴地磁的值200个，然后计算方差和均值。 表3 地磁测试数据分析表X轴Y轴 Z轴加速度项目均值方差均值方差均值方差东北天-11.10113.48334105149.920.308271332-489.020.275166371北天东115.7150.511024115-464.120.3787283915.940.573164209 天东北-478.28560.7559214044.7180.512302312202.290.352136180 西南地2.1121.189789114-161.4820.213349833485.310.251317843 南地东-222.9242.239784019462.9810.367692321-21.81230.459277889 地西北410.0433.023128721-2.31010.828529822182.12730.415811823选取天东北方向北向的输出数据作图：4.结论分析与心得体会在此次课程设计进行过程中，我主要负责STM32最小系统电路设计的部分，通过翻阅资料，请教老师和同学终于完成了自己负责部分的设计。我们组设计的惯性监控系统实现了三轴加速度、三轴陀螺仪、三轴地磁信息的采集、显示和存储功能。通过STM32单片机与GY-80传感器模块进行通信，通过上位机进行显示和存储。加速度计的精度，陀螺仪的精度，三轴地磁的精度都达到了民用场合的要求，实验结果是成功的。两个月的课程设计过程中，我与同学分工合作，我和同学都完成了分配给自己的部分的设计调试工作，我体会到了团结的力量，也在设计过程中增进了同学之间的关系，让我以后可以更好的和同学一起完成类似的实验活动。 课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，通过这次惯性器件测试与分析设计，我综合运用了在大学课程中所学的知识，通过自己的独立思考和同学们的讨论交流，提高了我的理论知识能力，同时培养了将理论知识和实际工作结合的能力，得到了多方面的提高。 另外还要感谢我们的指导教师毛奔老师，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样，在此次实验中遇到的各种问题都得到了老师的指导，老师给我们营造了一个很好的学习氛围，让我们可以顺利完成本次课程设计。 五参考文献1 王惠南.GPS导航原理与应用M.北京:科学出版社，2003.2 David H.Titterton, John L We