加速度计用电流-频率转换电路及方法与流程

本发明涉及惯性导航，具体涉及一种加速度计用电流-频率转换电路及方法。

背景技术：

1、自二十世纪中叶以来，惯性器件与惯性技术在航空航天、航海、地质勘探等领域得到广泛应用。在惯性导航设备中，陀螺仪和加速度计是两类最核心的惯性传感器。其中，石英挠性加速度计具备精度高、可靠性高、功耗低、体积小等优点，在惯性级导航系统中得到广泛应用。

2、石英挠性加速度计输出的原始信号为模拟电流信号。该模拟电流信号必须经过模数转换，才能被导航计算机采集并用于后续的处理与解算。在中高精度惯性导航系统中，惯性测量组合通常采用三轴加速度计与三轴陀螺仪正交配置的构成方式，其中三只加速度计分别测量载体坐标系三个正交轴向的比力分量。因此，如何对三路加速度计输出电流进行高精度、高一致性的模数转换，直接决定了整个惯性导航系统的精度水平。

3、在惯性系统中，模数转换存在两条技术路线。第一条路线是采用通用的模数转换器对加速度计输出电流进行采样量化。第二条路线是采用电流-频率转换电路，即i/f转换电路。i/f转换电路的工作原理是电流积分与电荷平衡：输入电流对积分电容持续充电，使积分器输出电压线性变化，当输出电压达到预置阈值时，电路产生一个复位脉冲并注入极性与输入电流相反的复位电流，使积分器输出电压返回阈值以内；上述过程不断重复，从而在单位时间内产生的脉冲个数正比于输入电流的大小。由于i/f转换电路对输入电流进行连续积分，理论上不丢失加速度计电流信号中的任何信息，这一点与惯性导航解算中速度、位置由加速度积分累加的原理天然契合。因此，i/f转换电路在中高精度惯性导航系统中具有不可替代的工程应用地位。

4、然而，受制于传统i/f转换电路的工作方式，其量程、线性度与分辨率这三个核心指标之间存在相互制约关系。量程的扩展要求提高复位电流或降低积分电容，而这将牺牲分辨率；分辨率的提升要求减小积分电容或延长积分时间，而这将压缩量程；线性度则受积分电容的介质吸收效应、模拟开关的电荷注入效应以及比较器的阈值漂移等因素的共同制约。在当前电子元器件性能难以产生质的飞跃的条件下，单纯依靠提高关键元器件的精度等级、改进模拟电路拓扑等纯硬件手段来进一步提升i/f转换单板的综合性能，已经变得十分困难，改进空间逐渐减小。

5、除上述三个指标的相互制约之外，温度漂移是制约i/f转换电路精度的另一项关键因素。i/f转换电路中的积分电容容值、基准电压源输出、恒流源电流值以及比较器阈值均随温度变化而变化，上述参数的温度漂移经电荷平衡过程传导至输出脉冲频率，表现为零位温度漂移与标度因数温度漂移。

6、针对温度漂移问题，现有技术中已经提出了若干解决方案。例如，公开号为cn205027781u的实用新型专利公开了一种用于微机械加速度计标度因数的温度自补偿电路，其采用两只低温漂电阻与一只铂电阻构成温度补偿网络，使补偿电路输出系数的温度变化趋势与标度因数的温度变化趋势相反，从而在模拟域实现温度补偿。该方案属于纯硬件补偿，电路结构简单、成本低廉，但模拟域补偿难以拟合非线性的温度误差曲线，且补偿参数在电路装调完成后即被硬件参数固化，无法针对每一台产品的个体差异进行独立标定。

7、公开号为cn105306056b的发明专利公开了一种电流频率转换电路的标度因数温度补偿方法，其针对现有硬件式补偿方法无法应对非线性温度补偿曲线的缺陷，提出了一种数字式的标度因数温度补偿方法。该方案将温度补偿由模拟域转移到数字域，能够通过软件算法拟合非线性的温度误差，但其着眼点在于单只转换电路的标度因数补偿方法本身，未涉及多通道系统中各通道的独立标定与同步处理。

8、公开号为cn113014206b的发明专利公开了一种电流频率转换电路的标度因数温漂补偿装置及方法，其包括电流频率转换电路、温度采集电路、控制电路及测试计算机。该方案中，测试计算机根据控制电路发送的环境温度值及数字脉冲信号的计数值进行曲线拟合，得到设定环境温度下的标度因数、多项式拟合公式的阶数及各次项系数，再由控制电路根据上述参数计算标度因数的补偿结果。该方案引入了外部测试计算机参与拟合运算，提高了补偿参数的拟合精度，但由此带来的问题是：补偿参数的生成依赖于外部上位机的在线参与，装置本身无法独立完成从标定到补偿的闭环；同时，其温度采集电路采集的是环境温度值，而非各转换通道自身的实际工作温度。

9、公开号为cn115752450b的发明专利公开了一种电流—频率转换电路标度因数及零位补偿方法及装置，其读取预先存储的待补偿电路的补偿参数，包括各温度点和各温度点的零位、标度因数、标度因数目标值；获取当前待补偿电路温度，根据当前温度判断所在补偿参数中的温度区间，利用当前温度所在区间两端点对应的零位和标度因数参数，对当前温度对应的零位和标度因数进行线性差值拟合；利用标度因数目标值、拟合后的零位、标度因数，在一次采样周期内对当前待补偿电路计数值进行补偿。该方案能够在一次采样周期内完成补偿，实时性好，且免去了焊接调试电阻的过程，提升了生产效率。但该方案的补偿对象是单一路待补偿电路，未涉及三个测量通道的并行处理，也未涉及各通道独立温度传感、独立误差模型以及通道间采样时刻的同步问题。

10、公开号为cn102589545b的发明专利公开了一种惯性测量单元的零位自校准电压频率转换装置，其通过三个开关和三个电压频率转换电路构成与惯性测量单元三个输出相对应的三个独立采样通道，通过另三个开关和另一个电压频率转换电路构成惯性测量单元三个输出共用的采样通道，在多个采样周期中通过置入导航计算机的采样模块对六个开关进行不同的断开和闭合控制，使三个独立采样通道分别在共用采样通道的配合下依次进行各自通道的零位自校准。该方案能够在外界环境发生变化时对惯性测量单元信号进行连续自校准实时采样，但其自校准的实现依赖于开关的周期性切换，在通道切换时刻需要将输入信号割裂为两部分分别处理，采样链路的连续性受到影响；并且该方案仅处理零位漂移，未涉及温度感知与温度误差模型。

11、上述现有技术已将温度补偿由模拟域转移到数字域，并分别在标度因数补偿、温度曲线拟合与零位补偿等方向上给出了解决方案。在三通道惯组这一具体工程场景下，这些方案的适用情况如下。就通道数量而言，上述方案的补偿对象多为单一路转换电路，其标定流程与补偿运算围绕单只转换电路展开，当三只加速度计的三个通道需要在同一解算周期内并行完成转换时，需要重复配置三套彼此独立的补偿环节，各通道之间的标定参数与采样时刻缺少统一安排。就温度测点而言，上述方案所采集的温度多为环境温度或单路电路温度，而三个转换通道在印制板上的安装位置不同、自身功耗亦不相同，各通道的实际工作温度与环境温度之间存在差异，以单一温度值对三个通道统一补偿时，该差异将作为补偿残差保留下来。就补偿闭环的完整性而言，部分方案将曲线拟合交由外部测试计算机完成，转换装置在脱离上位机的条件下无法独立完成由标定到补偿的完整过程。就采样链路而言，部分方案为获得自校准能力而设置开关并按周期切换，输入信号在切换时刻被分割为两段分别处理。此外，上述方案主要围绕转换电路自身的电气性能展开，对在既有惯性系统中替换原有模数转换电路时所受到的外形尺寸、电气接口与通信协议约束未作考虑。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：在石英挠性加速度计输出电流的模数转换环节，受制于传统电流-频率转换电路量程、线性度与分辨率三个指标相互制约的工作方式，单纯依靠纯硬件手段提升转换性能的空间已经十分有限；同时，现有数字补偿方案多针对单一路转换电路设计，未针对三通道惯组的并行处理、独立标定与同步采样需求给出完整解决方案，且部分方案依赖外部上位机在线参与或引入开关切换而牺牲采样连续性。

2、本发明为解决其技术问题，提供了一种加速度计用电流-频率转换电路，包括电流-频率转换单元、温度采集单元、数字处理单元和串行接口单元；所述电流-频率转换单元包括一只电流-频率转换芯片，其三个电流输入端分别与三只加速度计的力矩器电流输出端连接，三个脉冲输出端分别输出与对应通道输入电流成比例的脉冲序列；所述温度采集单元包括一只模数转换芯片和三只铂电阻温度传感器，三只所述铂电阻温度传感器分别设置于三个所述通道处，分别测得各通道自身的工作温度，所述模数转换芯片的三个采样输入端分别与三只所述铂电阻温度传感器连接；所述数字处理单元分别与三个所述脉冲输出端及所述模数转换芯片的数字输出端连接，配置为在每一个解算周期内读取各通道的脉冲计数值与温度值，并针对每一个通道、按该通道预置的温度误差模型、以该通道的温度值对该通道的脉冲计数值进行补偿，所述温度误差模型包括该通道的零位温度误差项和标度因数温度误差项，且三个所述通道的所述温度误差模型相互独立；所述串行接口单元与所述数字处理单元连接，用于将三个补偿后的脉冲计数值以差分串行方式按帧输出。

3、上述的电路，所述电流-频率转换芯片的每一个脉冲输出端包括正向脉冲输出端和负向脉冲输出端；所述数字处理单元的每一个计数输入端包括正向计数端和负向计数端，所述正向计数端与所述正向脉冲输出端连接，所述负向计数端与所述负向脉冲输出端连接；所述数字处理单元在每一个解算周期内分别读取各通道的正向脉冲计数值与负向脉冲计数值，并按该通道预置的温度误差模型分别对所述正向脉冲计数值和所述负向脉冲计数值进行补偿，再求取同一通道的所述补偿后的正向脉冲计数值与所述补偿后的负向脉冲计数值之差，以该差值作为该通道的输出量按帧输出。

4、上述的电路，所述温度误差模型按下式确定补偿量：；其中，为第通道的补偿量，为第通道的脉冲计数值，为第通道的温度值，为标定参考温度，为第通道的零位温度系数，为第通道的标度因数温度系数；所述零位温度系数和所述标度因数温度系数由全温区标定试验按通道分别拟合得到，并以分段线性表或多项式系数形式预置于所述数字处理单元中。

5、上述的电路，所述数字处理单元还包括触发信号输入端，三个所述通道的脉冲计数由所述触发信号输入端输入的触发信号同步启停，所述解算周期由所述触发信号的周期确定。

6、上述的电路，所述串行接口单元输出的帧包括通道标识字段、脉冲计数字段、温度字段和校验字段；所述数字处理单元还配置为在每一个解算周期内将各通道的脉冲计数值与预置的量程上限值和量程下限值比较，并在超出时置该通道的故障标志位，所述故障标志位随该通道的帧一同输出。

7、上述的电路，还包括密封壳体，所述电流-频率转换单元、所述温度采集单元、所述数字处理单元和所述串行接口单元均设置于所述密封壳体内，所述密封壳体内灌封有导热胶，所述导热胶包覆所述电流-频率转换单元、所述温度采集单元、所述数字处理单元和所述串行接口单元的外表面并与壳体内壁接触，所述密封壳体的接地点经一只阻值为零欧姆的电阻与电源地连接。

8、上述的电路，还包括电源单元，所述电源单元输出正5v、负5v和正3.3v三路电压，其模拟地与数字地在一点连接；所述串行接口单元的差分输出端经一只电连接器引出，所述电连接器为j30jm-25zk型电连接器，其芯号定义与所替代的模数转换电路的电连接器芯号定义一致；所述电流-频率转换芯片为rs1021型电流-频率转换电路，所述模数转换芯片为ads1262型模数转换器，所述数字处理单元为stm32f767型微控制器，所述串行接口单元包括max490型rs422收发器，所述铂电阻温度传感器的标称电阻值为1000ω。

9、本发明为解决其技术问题，还提供了一种加速度计用电流-频率转换方法，应用于上述任一项所述的加速度计用电流-频率转换电路，包括：s1、在每一个解算周期内，分别读取电流-频率转换芯片三个脉冲输出端输出的脉冲序列，得到三个通道的脉冲计数值；s2、通过温度采集单元读取三只铂电阻温度传感器所对应通道的温度值；s3、针对每一个通道，调用该通道预置的温度误差模型，以该通道的温度值求取该通道的补偿量，并以所述补偿量对该通道的脉冲计数值进行修正，得到该通道补偿后的脉冲计数值；s4、将三个通道的所述补偿后的脉冲计数值按预定帧格式经串行接口单元以差分串行方式输出。

10、上述的方法，所述步骤s1中，每一个通道的脉冲计数值包括正向脉冲计数值和负向脉冲计数值；所述步骤s3中，分别对所述正向脉冲计数值和所述负向脉冲计数值进行修正；所述步骤s4之前还包括：求取同一通道修正后的正向脉冲计数值与负向脉冲计数值之差，以该差值作为该通道的输出量。

11、上述的方法，所述步骤s1中，三个通道的脉冲计数由同一触发信号同步启停，所述解算周期由所述触发信号的周期确定；所述步骤s4中所述帧格式包括通道标识字段、脉冲计数字段、温度字段和校验字段。

12、本发明的有益效果是：

13、1、将温度补偿由模拟域完整转移到数字域，由数字处理单元在每一个解算周期内独立完成温度采集、模型调用与计数值补偿，无需外部上位机在线参与拟合运算，也无需为获得校准能力而引入开关切换，不中断采样链路的连续性。

14、2、为三个转换通道分别配置独立的铂电阻温度传感器与独立的温度误差模型，使各通道按照自身的实际工作温度进行补偿，避免了以单一环境温度或单路电路温度近似代表全板温度所带来的补偿残差。经全温区标定试验验证，三个通道在全温区内的输出极差均由补偿前的、、分别下降至补偿后的、、，降幅分别达到59%、72%和82%。

15、3、针对电流-频率转换芯片每一通道输出的正向脉冲与负向脉冲分别设置独立的计数通道并分别进行温度补偿，使双向脉冲的零位与标度因数温度特性得到分别修正，二者之差所表征的净输入电流精度得到提升。

16、4、三个通道的脉冲计数由同一触发信号同步启停，解算周期由触发信号周期确定，消除了三个通道之间因采样起始时刻不一致而引入的时延误差，保证了三轴比力信息在时间轴上的严格对齐。

17、5、采用单只电流-频率转换芯片集成三个转换通道，减少了外围器件数量与印制板面积，配合密封壳体内的导热胶灌封，使各单元产生的热量经导热胶均匀传导至壳体内壁并由壳体散出，降低了板内元器件的工作温度并提高了温度场的均匀性，进一步抑制了温度漂移。

18、6、密封壳体的接地点经一只阻值为零欧姆的电阻与电源地连接，在进行电磁兼容性测试时可通过短接或拆除该电阻灵活选择接地方式，便于在不改动印制板布线的条件下进行对比测试，提高了电路的抗干扰调试效率。