MEMS慣性元件廣泛應(yīng)用于當(dāng)今的工業(yè)、軍工業(yè)以及消費(fèi)電子行業(yè),有著大量的市場(chǎng)需求。在MEMS元件大批量生產(chǎn)的同時(shí),如何提高其測(cè)試效率并控制測(cè)試成本,是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。本文為改進(jìn)現(xiàn)有的單片MEMS測(cè)試系統(tǒng),設(shè)計(jì)了一種并行MEMS測(cè)試數(shù)據(jù)采集方案。方案以硬件設(shè)計(jì)為主,同時(shí),從硬件優(yōu)化和算法設(shè)計(jì)兩方面對(duì)系統(tǒng)采集到的MEMS信號(hào)進(jìn)行降噪處理。本文首先介紹了并行測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路。以轉(zhuǎn)臺(tái)為測(cè)試載體,測(cè)試數(shù)據(jù)從MEMS輸出后經(jīng)過(guò)采集和傳輸兩個(gè)步驟。數(shù)據(jù)采集使用8片8通道ADC實(shí)現(xiàn)多路模擬信號(hào)同步采集,由FPGA并行接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸跨越轉(zhuǎn)臺(tái)定轉(zhuǎn)子,通過(guò)FPGA、USB2.0芯片和電滑環(huán)實(shí)現(xiàn)。本文還對(duì)包括數(shù)據(jù)采集電路模擬元件的器件噪聲和實(shí)際場(chǎng)景的MEMS實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行了降噪處理。器件噪聲主要包括電阻熱噪聲、元件1/f噪聲、電源紋波噪聲以及ADC的相位噪聲、開(kāi)關(guān)噪聲和量化噪聲等,對(duì)各類噪聲進(jìn)行了建模并給出了詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式,從硬件設(shè)計(jì)角度和實(shí)際操作角度給出了降低噪聲影響的建議和方法。為了對(duì)實(shí)際系統(tǒng)輸出的MEMS信號(hào)進(jìn)行除噪,本文還基于小波分析的基本原理,使用Mallat算法和閾值去噪方法完成了信... 

【文章來(lái)源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁(yè)數(shù)】：71 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

并行測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能圖

為了設(shè)計(jì)一個(gè)通用的數(shù)據(jù)采集模塊，不僅需要滿足采樣接口的通用保證采樣性能有足夠的容量。在設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)定 MEMS 輸出信號(hào)的最 1000Hz，該頻率基本能夠包含所有的 MEMS 測(cè)試輸出頻率。為了波形有較高的還原度，設(shè)定采樣輸出頻率ODRf 與采樣輸入信號(hào)頻率值在 10~100 之間，即ODRf 在 10ksps~100ksps 之間，同時(shí)保證每個(gè)采真實(shí)還原信號(hào)幅值，設(shè)定采樣分辨率位數(shù)不低于 24 位。為了較大限度地提高單次實(shí)驗(yàn)的 MEMS 測(cè)量數(shù)量，系統(tǒng)采用 64 路輸入，以 MEMS 三軸陀螺儀或加速度計(jì)為例，相比較原先的單個(gè)測(cè)MEMS 的測(cè)量效率可提高約 20 倍。為了實(shí)現(xiàn)對(duì) 64 路輸入的高速同需要使用并行運(yùn)算能力較強(qiáng)的嵌入式芯片，本項(xiàng)目采用 FPGA 芯片采集模塊的核心。同時(shí)，為了滿足對(duì)不同型號(hào) MEMS 的輸出采樣需求，需要對(duì) MEM電平做統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換，使用擴(kuò)展的電平轉(zhuǎn)換電路增強(qiáng)采樣接口的通用，采樣輸出到 FPGA 之間同樣需要電平轉(zhuǎn)換與電磁隔離電路，用以字器件之間的數(shù)據(jù)傳輸可靠性做出保證。圖 2-2 是數(shù)據(jù)采集功能實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)圖。

能夠滿足需求。對(duì)兩個(gè)方案，做出如下分析：案一的優(yōu)點(diǎn)在于 SPI 等串口協(xié)議實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，可以直接使用輯實(shí)現(xiàn)，但缺點(diǎn)在于增加了轉(zhuǎn)臺(tái)與上位機(jī)之間的機(jī)械連接負(fù)擔(dān)強(qiáng)度較大、測(cè)試吞吐量較高的情況下，會(huì)增加設(shè)備維護(hù)成本，與傳輸線數(shù)量相關(guān)，并行能力的可擴(kuò)展性不足。案二的優(yōu)點(diǎn)在于避免了上位機(jī)與轉(zhuǎn)臺(tái)之間的多數(shù)據(jù)線連接，設(shè)過(guò)程更加簡(jiǎn)易，且傳輸帶寬容量大，可擴(kuò)展性好。缺點(diǎn)在于傳為復(fù)雜，硬件數(shù)量相比方案一較多，增加了傳輸過(guò)程數(shù)據(jù)的出合比較兩種方案，為了實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和高容量，在本采用 USB2.0 傳輸協(xié)議來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。機(jī)械連接的角度考慮，即使是只用一組數(shù)據(jù)輸出，也存在線路減問(wèn)題，因此，考慮在轉(zhuǎn)臺(tái)與上位機(jī)之間，加入滑環(huán)代替導(dǎo)線說(shuō)，工業(yè)級(jí)的電滑環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)速率可以達(dá)到每分鐘千轉(zhuǎn)以上，轉(zhuǎn)動(dòng)千萬(wàn)轉(zhuǎn)，可以很好地承擔(dān)高頻測(cè)試的電信號(hào)傳輸任務(wù)。據(jù)傳輸功能實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2-3 所示：

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]直流電源紋波和噪聲測(cè)量[J]. 席安和.  電子質(zhì)量. 2018(02)
[2]模塊電源紋波電壓的測(cè)量與有效抑制[J]. 劉揚(yáng).  計(jì)量與測(cè)試技術(shù). 2018(01)
[3]了解及消除1/f噪聲[J]. Robert Kiely.  中國(guó)電子商情(基礎(chǔ)電子). 2017(10)
[4]MEMS加速度計(jì)在不同量程下的溫度影響性能測(cè)試方法[J]. 袁雪松.  物聯(lián)網(wǎng)技術(shù). 2017(08)
[5]基于雙彈頭Hopkinson桿的高g值加速度傳感器的動(dòng)態(tài)線性分析[J]. 楊志才,石云波,董勝飛,陳艷香,智丹.  傳感技術(shù)學(xué)報(bào). 2015(07)
[6]高效率的MEMS陀螺管芯動(dòng)態(tài)特性測(cè)試方法[J]. 鄧焱,邢超,張嶸,周斌.  清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2014(06)
[7]不等基頻硅微諧振式加速度計(jì)[J]. 陳衛(wèi)衛(wèi),黃麗斌,楊波.  傳感技術(shù)學(xué)報(bào). 2011(11)
[8]四階Sigma-Delta微加速度計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析[J]. 劉曉為,劉云濤,姜一鳴,尹亮.  哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào). 2011(07)
[9]硅微諧振式加速度計(jì)的實(shí)現(xiàn)及性能測(cè)試[J]. 石然,裘安萍,蘇巖.  光學(xué)精密工程. 2010(12)
[10]硅微諧振式加速度計(jì)技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J]. 萬(wàn)蔡辛,李丹東,張承亮,陳效真.  導(dǎo)航與控制. 2010 (02)

碩士論文
[1]MEMS慣性傳感器自動(dòng)批量測(cè)試標(biāo)定系統(tǒng)的研究[D]. 印娟.南京理工大學(xué) 2017
[2]復(fù)雜機(jī)載環(huán)境下的MEMS航姿系統(tǒng)性能優(yōu)化技術(shù)研究[D]. 常健.南京航空航天大學(xué) 2015
[3]基于MEMS慣性傳感器的高精度姿態(tài)測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 陳曦.浙江大學(xué) 2014



本文編號(hào)：3580705