專利名稱：手持式微機(jī)械陀螺測試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機(jī)械陀螺測試裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種手持式微機(jī)械陀螺的掃頻測試儀器。
背景技術(shù)：
微機(jī)械陀螺的生產(chǎn)主要采用微機(jī)械加工和真空封裝，工藝偏差等因素導(dǎo)致微機(jī)械陀螺存在多種誤差源，如殘余應(yīng)力、剛度耦合、阻尼耦合、驅(qū)動和檢測軸不對稱的結(jié)構(gòu)誤差等。因此，在微機(jī)械陀螺的研制過程中就必須進(jìn)行性能參數(shù)的測試與篩選。微機(jī)械陀螺的性能測試通常包括掃頻測試、標(biāo)度因數(shù)測試、零偏測試等項(xiàng)目。其中，掃頻測試是微機(jī)械陀螺的一個重要測試項(xiàng)目，主要測試其諧振峰值、諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)等性能表征參數(shù)。目前國際上已經(jīng)研發(fā)出了一些有價(jià)值的微機(jī)械陀螺儀測試設(shè)備。如Veeco公司的 MEMS3500，但此類固定安裝的專用設(shè)備，價(jià)格昂貴，不能手持便攜，不適用于工藝試驗(yàn)或小批量研制等場合對儀器的便攜性有一定要求的場景。201020181149. I號“一種雙軸轉(zhuǎn)臺的MEMS陀螺測試系統(tǒng)”實(shí)用新型公布了一種MEMS陀螺測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)將帶高低溫箱的雙軸轉(zhuǎn)臺和MEMS陀螺傳感器測試單元結(jié)合起來，組成一種全自動的MEMS陀螺綜合測試系統(tǒng)。該方案存在測試平臺搭建復(fù)雜、需要借助PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等不足。200720077699. 7號“基于FPGA的光纖陀螺數(shù)據(jù)采集模型”實(shí)用新型公布了一種基于FPGA的光纖陀螺數(shù)據(jù)采集模型，該模型利用可編程邏輯器件芯片F(xiàn)PGA進(jìn)行光纖陀螺數(shù)據(jù)信息的采集，通過串口發(fā)送至上位機(jī)并同時(shí)可以在LCD上顯示。但是該實(shí)用新型所公布的方案針對于光纖陀螺，由于光纖陀螺和微機(jī)械陀螺的結(jié)構(gòu)原理有巨大的差異，因此并不適用于微機(jī)械陀螺。清華大學(xué)王嫘等2009年報(bào)道了一種“基于虛擬儀器的微機(jī)電系統(tǒng)動態(tài)特性測試儀”，是一種基于虛擬儀器的微機(jī)電系統(tǒng)動態(tài)特性測試儀，主要用于微機(jī)電系統(tǒng)的頻譜測試和靜態(tài)特性測試；該儀器采用PCI總線24位高性能數(shù)據(jù)采集卡，使用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)，采用掃頻方法給待測系統(tǒng)輸入一系列由低頻到高頻的正弦激勵信號，進(jìn)而分析出該系統(tǒng)響應(yīng)和激勵之間的關(guān)系；其頻帶為O. OlHz 10kHz，并能在關(guān)鍵頻率附近增加測試的頻率點(diǎn)以提高精度；試驗(yàn)表明，該儀器的最大幅值誤差小于O. 2dB，最大相位誤差小于O. V，同時(shí)具有較高的可靠性和擴(kuò)展性；該儀器自動化程度高，并具有良好的人機(jī)交互特性，可實(shí)時(shí)顯示測試數(shù)據(jù)并繪制曲線，并在測試完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，最后自動生成報(bào)表。但上述方案采用了“硬件采集卡+數(shù)據(jù)傳輸模塊+PC機(jī)”的虛擬儀器架構(gòu)，雖然測試方式靈活多變、功能強(qiáng)，但測試系統(tǒng)硬件成本高、搭建復(fù)雜，且不能手持便攜，不適用于工藝試驗(yàn)或小批量研制等場合對儀器的便攜性有一定要求的場景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種手持式微機(jī)械陀螺測試儀，便攜易用，無需借助其它測試設(shè)備即可獨(dú)立完成微機(jī)械陀螺的掃頻測試、驅(qū)動直流偏置電壓掃描測試，求取諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)，并在自帶的顯示面板上即時(shí)繪制出掃頻測試結(jié)果的特征數(shù)據(jù)和特性曲線。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明手持式微機(jī)械陀螺測試儀采用的技術(shù)方案是手持式微機(jī)械陀螺測試儀基于嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)，由主機(jī)、測試電路板和總線電纜組成。主機(jī)包括顯示面板、調(diào)節(jié)旋鈕、處理器、供電單元、ADC芯片、串口、總線接口部件；測試電路板主要包括芯片插座、驅(qū)動檢測電路、管腳配置電路、總線接口部件；總線電纜包括電力線纜、驅(qū)動檢測電路驅(qū)動信號線纜、驅(qū)動檢測電路檢測信號線纜、管腳配置電路控制信號線纜。本發(fā)明的手持式微機(jī)械陀螺測試儀嵌在主機(jī)機(jī)身表面的顯示面板是采用北京迪文公司生產(chǎn)的16位真彩顯示屏來實(shí)現(xiàn)，處理器采用XILINX公司生產(chǎn)的spartan6系列芯片，供電單元采用24V直流電源以及自帶的可充電電池組兩種供電方式，ADC芯片采用24位高精度ADC芯片，型號為AD7734。通過供電單元對整個測試儀進(jìn)行供電，ADC芯片與處理器相連接，處理器從ADC芯片中讀出測試數(shù)據(jù)。顯示面板與處理器相連接，實(shí)時(shí)繪制測試過程中的特性曲線。為了減少在測試過程中需要接入多種輸出電壓等級電源的麻煩，同時(shí)讓在沒有外 界電源的情況也能正常使用本發(fā)明的手持式微機(jī)械陀螺測試儀，本發(fā)明的手持式微機(jī)械陀螺測試儀具有統(tǒng)一的供電單元。為了降低測試復(fù)雜程度，方便操作，實(shí)時(shí)了解測試情況，本發(fā)明的手持式微機(jī)械陀螺測試儀分為三個部分主機(jī)、總線電纜、測試電路板。主機(jī)配置有串口接口是為了可以將測試數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)，以便測試數(shù)據(jù)的歸檔、處理與查閱。由于微機(jī)械陀螺芯片封裝形式的多樣性，不同型號微機(jī)械陀螺芯片的各管腳不可能有順序完全一致的電氣功能定義。為了實(shí)現(xiàn)手持式微機(jī)械陀螺測試儀測試電路板的通用性，本發(fā)明在測試電路板上設(shè)計(jì)有管腳配置電路，采用多路選擇開關(guān)實(shí)現(xiàn)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對微機(jī)械陀螺的驅(qū)動和檢測，本發(fā)明的手持式微機(jī)械陀螺測試儀的測試電路板具有驅(qū)動檢測電路，驅(qū)動檢測電路有驅(qū)動電路和檢測電路兩個功能模塊。為了減少掃頻測試時(shí)間、提高掃頻測試效率，本發(fā)明的手持式微機(jī)械陀螺測試儀采用了一種減少掃頻測試時(shí)間、提高掃頻測試效率的掃頻測試方法。本發(fā)明的手持式微機(jī)械陀螺測試儀能夠獨(dú)立自主地快速完成待測微機(jī)械陀螺的掃頻測試、驅(qū)動直流偏置電壓掃描測試；求取待測微機(jī)械陀螺的諧振頻率與品質(zhì)因數(shù)；在自帶的顯示面板上繪制待測微機(jī)械陀螺芯片的特征數(shù)據(jù)——諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)，待測微機(jī)械陀螺芯片的特性曲線——掃頻測試的幅頻特性曲線、驅(qū)動直流偏置電壓掃描測試的驅(qū)動直流偏置電壓-振幅的關(guān)系曲線。


圖I為本發(fā)明系統(tǒng)組成框 圖2為本發(fā)明供電單元的電路原理框 圖3為本發(fā)明驅(qū)動檢測電路的電路原理框 圖4為本發(fā)明系統(tǒng)工作流程 圖5為本發(fā)明管腳配置工作流程 圖6為本發(fā)明快速求取諧振頻率方法工作流程圖。實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
如圖I所示，手持式微機(jī)械陀螺測試儀基于嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)，主機(jī)包括顯示面板
7、處理器8、供電單元11、ADC芯片10、串口 9、總線接口 5、調(diào)節(jié)旋鈕12這些部件；測試電路板包括芯片插座2、驅(qū)動檢測電路4、管腳配置電路3、總線接口 5這些部件；總線電纜6。主機(jī)主要負(fù)責(zé)兩部分工作，第一是通過總線電纜向測試電路板提供電源以及被測微機(jī)械托陀螺的驅(qū)動信號；第二是將測試電路板輸出的被測微機(jī)械托陀螺的敏感信號進(jìn)行采集，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在顯示面板7上繪制特性曲線，并求出被測微機(jī)械陀螺的諧振頻率以及品質(zhì)因數(shù)。測試電路板主要負(fù)責(zé)被測微機(jī)械陀螺的驅(qū)動和檢測，利用管腳配置電路3進(jìn)行管腳配置，并將檢測信號發(fā)出至主機(jī)。如圖2所示，為了減少在微機(jī)械陀螺掃頻測試搭建時(shí)需要外接多種電壓等級電源的麻煩，手持式微機(jī)械陀螺測試儀的主機(jī)I內(nèi)包含了一個主要采用DC-DC芯片實(shí)現(xiàn)的統(tǒng)一供電單元，為主機(jī)和測試電路板中不同的電路模塊或芯片提供多個電壓等級的直流電壓供電，電壓等級有2. 5V、3. 3V、5V和12V。統(tǒng)一供電單元可以選擇外部直流電壓源供電和/或內(nèi)部電池組供電作為統(tǒng)一供電單元的輸入電源，輸入電壓等級可選擇24V。外部直流電壓源 供電通過外部電源接口 5連接。內(nèi)部電池組供電確保在不方便從外部取電時(shí)仍可使用手持式微機(jī)械陀螺測試儀，增加了手持式微機(jī)械陀螺測試儀的使用靈活性。如圖3所示，驅(qū)動檢測電路4的電路原理是首先通過管腳配置電路3定義好被測微陀螺的管腳之后，再對被測陀螺施加正反相兩路驅(qū)動電壓。其中交流驅(qū)動電壓由處理器8的DDS(Direct Digital Synthesizer，直接數(shù)字合成器)功能IP核來產(chǎn)生；直流偏置電壓通過手動調(diào)節(jié)旋鈕來設(shè)置，直流偏置電壓設(shè)計(jì)成可調(diào)是為了進(jìn)行直流掃描測試，找出被測陀螺最佳線性輸出時(shí)的最佳取值范圍。反相功能是通過反相器13來實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動敏感電容變化信號是經(jīng)高頻信號20載波調(diào)制和前置差分放大14后得到輸出信號，再經(jīng)過帶通濾波處理15、開關(guān)解調(diào)16、低通濾波18還原出敏感信號。本發(fā)明的檢測電路沒有直接對還原出的敏感信號進(jìn)行AD采集，而是通過硬件均方根值轉(zhuǎn)換器17求出它的均方根值，再利用主機(jī)部分的ADC芯片10進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換，處理器8實(shí)時(shí)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。如圖4所示，本發(fā)明的手持式微機(jī)械陀螺測試儀工作流程為執(zhí)行上電100操作之后，系統(tǒng)開始進(jìn)行初始化101操作，其中初始化操作主要初始化上次使用時(shí)管腳配置參數(shù)、陀螺驅(qū)動設(shè)置參數(shù)。初始化之后若要進(jìn)行管腳再次配置則執(zhí)行設(shè)定管腳配置102操作，然后進(jìn)行功能選擇103，若選擇了掃頻測試功能104，本發(fā)明的手持式微機(jī)械陀螺測試儀將自主測試106，若選擇了直流偏置電壓掃描測試105，則本發(fā)明的手持式微機(jī)械陀螺測試儀將根據(jù)手動調(diào)節(jié)電壓大小107來進(jìn)行測試，測試過程中將實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、曲線繪制108。測試完成后，本發(fā)明的手持式微機(jī)械陀螺測試儀將在顯示面板7上顯示所測試的結(jié)果信肩、O為了增加該手持式微機(jī)械陀螺測試儀的通用性，在測試電路板中設(shè)計(jì)有一個管腳配置電路3，可以根據(jù)待測微機(jī)械陀螺的管腳定義來設(shè)定對應(yīng)插座與驅(qū)動檢測電路接口順序，該管腳配置電路3采用多路選擇開關(guān)實(shí)現(xiàn)。管腳配置的工作流程如圖5所示，管腳配置的基本原理是確定測試電路板上驅(qū)動檢測電路4各端口與芯片插座2各管腳之間正確的電氣連接關(guān)系。需要管腳配置時(shí)，通過主機(jī)功能選擇按鈕操作；配置成功后，處理器將配置參數(shù)通過總線接口 5發(fā)送到管腳配置電路3，管腳配置電路3按照設(shè)定配置相應(yīng)管腳。在已有的微機(jī)械陀螺掃頻測試方法中，如果要得到較為精確的諧振頻率值和品質(zhì)因數(shù)值，需要頻率測試點(diǎn)足夠多，因此測試時(shí)間長、數(shù)據(jù)量大，測試效率較低。本發(fā)明手持式微機(jī)械陀螺測試儀采用的一種減少掃頻測試時(shí)間、提高掃頻測試效率的掃頻測試新方法，該方法基于粗略掃頻和精確掃頻兩次掃頻的思想；第一次掃頻為粗略掃頻，掃頻步長在5 10Hz之間，根據(jù)待測微機(jī)械陀螺粗略掃頻測試數(shù)據(jù)，采用最小二乘法擬合方法擬合出待測微機(jī)械陀螺的頻率一輸出電壓曲線，利用該曲線求得待測微機(jī)械陀螺的諧振頻率的大致區(qū)間，以縮小精確掃頻的區(qū)間；第二次掃頻為精確掃頻，掃頻步長為O. 5Hz，以準(zhǔn)確地確定出諧振頻率點(diǎn)的頻率值。本發(fā)明手持式微機(jī)械陀螺測試儀采用的掃頻測試新方法流程圖如圖6所示，具體實(shí)現(xiàn)方式如下
1)首先執(zhí)行步驟301。先進(jìn)行第一次掃頻，即粗略掃頻。根據(jù)諧振頻率設(shè)計(jì)值，在設(shè)定的頻帶BWl內(nèi)進(jìn)行粗略掃頻，找出諧振頻率點(diǎn)的大致頻帶BW2 (BW2<BW1) 302 ;在頻帶BW2中選取N個掃頻測試數(shù)據(jù)，進(jìn)行最小二乘法擬合303。粗略掃頻的掃頻步長及N值的設(shè)定，可根據(jù)待測微機(jī)械陀螺的設(shè)計(jì)參數(shù)而定。本發(fā)明中，以某型待測微機(jī)械陀螺為例，掃頻步長在5Hz IOHz之間可選，N=IO ；
2)執(zhí)行得到擬合函數(shù)步驟304。即為求解出頻帶BW2中頻率f與輸出電壓信號U的擬 合函數(shù)；
3)然后執(zhí)行步驟305。求解出頻帶BW2中擬合函數(shù)的最大值(即估計(jì)的諧振頻率fQ’)和對應(yīng)的諧振頻帶BW3 (BW3<BW2)；
再進(jìn)行第二次掃頻步驟306，即精確掃頻，精確掃頻的頻帶為&±BW3。在進(jìn)行步驟307，精確掃頻準(zhǔn)確地測出諧振頻率值&，并可計(jì)算出品質(zhì)因數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種手持式微機(jī)械陀螺測試儀，基于嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)，包括主機(jī)，測試電路板，總線電纜，其特征在于主機(jī)包括顯示面板、調(diào)節(jié)旋鈕、處理器、供電單元、ADC芯片、串口、總線接口部件，測試電路板包括芯片插座、驅(qū)動檢測電路、管腳配置電路、總線接口部件，總線電纜包括電力線纜、驅(qū)動檢測電路驅(qū)動信號線纜、驅(qū)動檢測電路檢測信號線纜、管腳配置電路控制信號線纜，具體連接方式如下 a).主機(jī)中處理器是控制核心，其中顯示面板、ADC芯片分別通過不同的串行數(shù)據(jù)線與處理器連接，總線接口部件與ADC芯片和處理器通過不同信號電纜相連接，供電單元分別用不同的電力線與顯示面板、處理器、ADC芯片、串口、總線接口部件連接，調(diào)節(jié)旋鈕串聯(lián)在供電單元與總線接口中的驅(qū)動檢測電路驅(qū)動信號線纜之間； b).處理器與測試電路板之間利用總線接口部件通過總線電纜實(shí)現(xiàn)連接； c).測試電路板中，從總線接口部件分出的管腳配置電路控制信號線纜和電力線纜連接至管腳配置電路，分出的驅(qū)動檢測電路驅(qū)動信號線纜、檢測信號線纜連接至驅(qū)動檢測電路，管腳配置電路輸出信號與驅(qū)動檢測電路輸出的驅(qū)動端連接至芯片插座輸入端，芯片插座輸出端連接至驅(qū)動檢測電路檢測端。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的手持式微機(jī)械陀螺測試儀，其特征在于所述的顯示面板是嵌在手持式微機(jī)械陀螺測試儀主機(jī)機(jī)身表面，采用真彩顯示屏，是用戶操作的控制界面和掃頻測試結(jié)果的輸出界面。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的手持式微機(jī)械陀螺測試儀，其特征在于所述的驅(qū)動檢測電路驅(qū)動信號，包括了直流驅(qū)動信號與交流驅(qū)動信號，直流驅(qū)動信號是通過供電單元與調(diào)節(jié)旋鈕共同作用產(chǎn)生的，交流驅(qū)動信號是通過處理器的DDS功能來產(chǎn)生的。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的手持式微機(jī)械陀螺測試儀，其特征在于所述的主機(jī)配置有與PC機(jī)進(jìn)行通信的串口。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的手持式微機(jī)械陀螺測試儀，其特征在于管腳配置電路采用多路選擇模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的手持式微機(jī)械陀螺測試儀，其特征在于所述的供電單元有外部直流電壓源供電和內(nèi)部電池組供電兩種供電方式。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的手持式微機(jī)械陀螺測試儀，其特征在于采用了一種減少掃頻測試時(shí)間、提高掃頻測試效率的掃頻測試方法；該方法基于粗略掃頻和精確掃頻兩次掃頻的思想；第一次掃頻為粗略掃頻，掃頻步長較大，根據(jù)待測微機(jī)械陀螺粗略掃頻測試數(shù)據(jù)，采用最小二乘法擬合方法擬合出待測微機(jī)械陀螺的頻率一輸出電壓曲線，利用該曲線求得待測微機(jī)械陀螺的諧振頻率的大致區(qū)間，以縮小精確掃頻的區(qū)間；第二次掃頻為精確掃頻，掃頻步長較小，以準(zhǔn)確地確定出諧振頻率點(diǎn)的頻率值。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種手持式微機(jī)械陀螺測試儀，所述的由顯示面板、調(diào)節(jié)旋鈕、處理器、ADC芯片、供電模塊、串口、總線接口構(gòu)成的主機(jī)；由芯片插座、驅(qū)動檢測電路、管腳配置電路、總線接口構(gòu)成的測試電路板和由電力線、驅(qū)動檢測電路控制線、管腳配置電路控制線、信號線構(gòu)成的總線電纜組成。通過總線電纜將驅(qū)動檢測模塊與主機(jī)相連接。通過24V電源或自備電池組進(jìn)行供電，進(jìn)行自主掃頻測試、驅(qū)動直流偏置電壓掃描測試，特性曲線繪制，通過串口將數(shù)據(jù)傳送至PC機(jī)進(jìn)行后期分析。手持式微機(jī)械陀螺測試儀具有小批量并行測試功能，適合科研、小批量生產(chǎn)中微機(jī)械陀螺芯片的性能檢測，或其它需要靈活、便攜地測試微機(jī)械陀螺芯片的場合。
文檔編號G01C25/00GK102829800SQ20121031207
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月29日
發(fā)明者高楊, 官承秋, 劉顯學(xué), 唐海林, 周浩, 代富 申請人:中國工程物理研究院電子工程研究所