陀螺儀是一種能夠精確地確定運動物體方位的儀器，它是現(xiàn)代航空、航海、航天和國防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導航儀器，它的發(fā)展對一個國家的工業(yè)，國防和其他高科技的發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。
　　近年來隨著MEMS（微機電系統(tǒng)）技術的發(fā)展，MEMS陀螺儀的研究與發(fā)展受到了廣泛的重視。MEMS陀螺儀具有體積少、重量輕、可靠性好、易于系統(tǒng)集成等優(yōu)點，應用范圍廣闊。但是目前MEMS陀螺儀的精度還不是很高，要想大范圍應用必須對MEMS陀螺儀的信號進行處理。
　　本文選用TI公司的TMS320VC33作為MEMS陀螺儀信號處理平臺的核心芯片，同時引入DSP／BIOS實時操作系統(tǒng)提供的多任務處理機制，在對陀螺儀信號進行數(shù)據(jù)采集的間隙同時對先采集來的信號數(shù)據(jù)進行處理和傳輸，確保數(shù)據(jù)采集和處理的實時性，大大提高了信號處理平臺的工作效率，在高速實時數(shù)據(jù)采集和處理領域具有一定的應用價值。
　　1 MEMS陀螺儀信號處理平臺的硬件結構
　　1．1 信號處理平臺的硬件結構及工作原理
　　MEMS陀螺儀信號的處理平臺的硬件系統(tǒng)應該包括以下幾個部分：DSP模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，上位機通信模塊和JTAG調試接口模塊。
　　數(shù)據(jù)采集模塊由兩部分組成：6路16位模／數(shù)轉換器ADS8364和同步時序控制器FPGA（A3P250VQ100）。FPGA（A3P250VQ100）一方面是控制各個單元時序，另一方面是為了對A／D采集來的陀螺信號進行預處理。
　　模／數(shù)轉換器ADS8364通過FPGA與DSPVC33相連，采集三軸陀螺信號。
　　DSP主要完成對陀螺信號的降噪運算。陀螺信號經(jīng)DSP處理后再由SCI接口傳送到上位機。
　　系統(tǒng)設計的原理框圖如圖1所示。
　　
　　在圖1中三路陀螺模擬信號經(jīng)過各自的信號調理、抗混迭濾波后進入多通道A／D轉換器，在FPGA的控制下選擇一路信號進行轉換，轉換結果送入FPGA片上FIFO緩存，由DSP讀取數(shù)據(jù)并進行數(shù)字信號處理。同時FPGA對A／D轉換器傳過來的信號進行預處理，再送到DSP進行信號降噪處理，保證了MEMS陀螺信號處理系統(tǒng)處理的實時性。然后DSP把處理后的結果送至上位機和經(jīng)過串口輸出，完成數(shù)字輸出和模擬輸出，滿足不同的應用要求。
　　1．2 信號處理平臺A／D電路設計
　　在整個MEME陀螺信號處理平臺中，A／D轉換器是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分關鍵核心器件，信號處理系統(tǒng)中選用了美國德州儀器（TI）公司的ADS8364作為MEMS陀螺信號處理平臺的A／D轉換器。ADS8364是TI公司推出的高速、低功耗、6通道16位A／D轉換芯片，共有64個引腳。其時鐘信號由外部提供，最高頻率為5 MHz，對應的采樣頻率是250 kHz。數(shù)字電源供電電壓為3～5 V，即可以與3．3 V供電的微控制器接口，也可以與5 V供電的微控制器接口。所以ADS8364非常適合應用在精度要求較高，結構簡單的嵌入式信號處理系統(tǒng)中。
　　ADS8364的時鐘信號由外部提供，這里由FPGA提供時鐘信號，主要是考慮到FPGA可以靈活地改變時鐘頻率，進而改變系統(tǒng)的采樣頻率。A／D轉換完成后產(chǎn)生轉換結束信號EOC。將ADS8364的BYTE引腳接低電平，使轉換結果以16位的方式輸出。地址／模式信號（A0，A1，A2）決定ADS8364的數(shù)據(jù)讀取方式，可以選擇的方式包括單通道、周期或FIFO模式。將ADD引腳置為高電平，使得讀出的數(shù)據(jù)中包含轉換通道信息?？紤]到數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的采樣頻率一般較高，如果用DSP直接控制ADS8364的訪問，將占用DSP較多的資源，同時對DSP的實時性要求也較高。因此在本系統(tǒng)設計中，用FPGA實現(xiàn)ADS8364的接口控制電路，并將轉換結果存儲在FPGA中，用DSP實現(xiàn)FPGA芯片的輸出接口。圖2為ADS8364與FPGA的接口電路設計圖。
　　
　　1．3 DSP的串行通信接口設計
　　TMS320VC33 DSP中的串口是一種同步串行接口，串行通信接口（SCI）是采用雙線通信的異步串行通信接口，即通常所說的UART口，VC33內部帶有串行通信模塊，該串口支持16級接收和發(fā)送FIFO，可以與PC和其他異步通信外設進行數(shù)字通信，在信號處理平臺系統(tǒng)中采用RS 232通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)給上位機，與TMS320VC33接口的外設選用MAX3232。
　　2 MEMS陀螺儀信號處理平臺系統(tǒng)任務分析
　　MEMS信號處理系統(tǒng)劃分為三個獨立的任務：數(shù)據(jù)采集任務、陀螺信號處理任務和上位機通信任務。各個任務之間通過DSP／BIOS的旗語信號量進行同步和協(xié)調。
　　數(shù)據(jù)采集任務是負責對MEMS陀螺的信號進行采集。該任務是系統(tǒng)的關鍵部分，優(yōu)先級最高，執(zhí)行時間比其他任務短，因此選用DSP／BIOs的硬件中斷模塊（HWI）。硬件中斷模塊（HWI）具有嚴格的實時性和高優(yōu)先級，一旦SPIFIFO接收寄存器被外部ADC寫滿，立即產(chǎn)生相應的中斷，CPU立即掛起當前的任務，調用相應的中斷服務程序數(shù)據(jù)采集任務，將FIFO緩沖區(qū)內的采樣值讀入接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，啟動后續(xù)采樣。這時中斷服務程序退出，CPU的控制權返還給先前的任務。
　　陀螺信號處理任務負責對采集到的數(shù)字量信號進行小波除噪和溫度補償?shù)?a target='_blank' class='arckwlink_none'>算法處理。在設計時引入了DSP／BIOS的另一種線程類型TSK來實現(xiàn)。任務是獨立使用的CPU進程，真正體現(xiàn)了多線程的思想，支持阻塞和優(yōu)先級搶斷。
　　TSK共有15個優(yōu)先級，每個任務均有自己獨立的堆棧，響應延時比較長，適合對實時性要求不是很高的進程。TSK對象的優(yōu)先級低于硬件中斷（HWI），可根據(jù)任務的優(yōu)先級和當前執(zhí)行狀況調度或搶占任務。陀螺信號處理任務在數(shù)據(jù)采集任務的空閑周期執(zhí)行，也就是在采樣值寫入FIFO緩沖區(qū)這段時間執(zhí)行。當數(shù)據(jù)采集任務執(zhí)行完成，發(fā)送旗語信號量SEM_PROC陀螺信號的處理任務，對數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內的采樣值進行處理，如果沒有收到旗語信號量SEM_PROC任務自動掛起。
　　上位機通信任務負責系統(tǒng)與外部通信，將處理完成的數(shù)據(jù)通過SCI接口傳輸給上位機。上位機通信任務同樣采用DSP／BIOS中的TSK線程實現(xiàn)。上位機通信任務的優(yōu)先級低于任務陀螺信號處理任務，在數(shù)據(jù)采集和信號處理的間隙執(zhí)行。陀螺信號處理任務執(zhí)行完成，發(fā)送旗語信號量SEM-XMIT上位機通信任務，將數(shù)據(jù)送出。