同步采集电路、测量系统和交通工具

技术领域

本发明涉及同步采集电路技术领域，特别涉及一种同步采集电路、测量系统和交通工具。

背景技术

目前，通常可采用惯性测量单元阵列来测量飞行设备飞行时的惯性参数，并通过基于总线架构轮询或者片选等方式来轮流读取每一惯性测量单元的惯性测量数据，进而以实现对于飞行设备的导航控制。

但是轮流读取每一惯性测量数据的获取方式，会造成单次读取的惯性测量数据之间存在时间偏差，从而影响惯性系统响应的准确性和及时性。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种同步采集电路，旨在解决轮流读取多个惯性测量数据的数据读取方式导致惯性系统响应的准确性和及时性较低的问题。

为实现上述目的，本发明提出的同步采集电路，应用于测量系统中，所述测量系统包括惯性测量阵列，所述同步采集电路包括：

同步触发信号输入端，用于接入同步触发信号；

多个接口控制器，多个所述接口控制器的受控端均与所述同步触发信号输入端连接，每一所述接口控制器的输入端与所述惯性测量阵列中的一个惯性测量单元连接；

各所述接口控制器用于在接收到所述同步触发信号时同步启动工作，并采集与其对应连接的所述惯性测量单元输出的惯性测量数据。

可选地，所述同步采集电路还包括：

第一时钟信号输入端，用于接入第一预设频率的时钟信号；

第一锁相环，所述第一锁相环的输入端与所述第一时钟信号输入端连接，所述第一锁相环的输出端分别与多个所述接口控制器的时钟端连接；

所述第一锁相环，用于将接入的所述第一预设频率的时钟信号分频为第二预设频率的时钟信号，并将分频得到的所述第二预设频率的时钟信号分别输出至多个所述接口控制器的时钟端，以使多个所述接口控制器根据第二预设频率的时钟信号同步采集多个所述惯性测量单元的惯性测量数据；

所述第二预设频率与所述惯性测量单元所接入时钟信号的频率相同。

可选地，所述同步采集电路还包括：

外部系统接口，用于与外部系统连接；

处理器，所述处理器的输入端经高速通信总线与多个接口控制器的输出端连接，所述处理器的输出端与所述外部系统接口连接；

所述处理器，用于读取多个接口控制器采集的惯性测量数据，并用于对读取的惯性测量数据进行处理后经所述外部系统接口输出至所述外部系统。

可选地，所述处理器包括：

第一处理器，用于读取多个接口控制器采集的惯性测量数据，并用于对读取的惯性测量数据进行数据处理后经所述外部系统接口输出至所述外部系统，以供所述外部系统将数据处理后的惯性测量数据进行算法融合处理。

可选地，所述处理器包括：

第一处理器，用于读取多个接口控制器采集的惯性测量数据，并用于对读取的惯性测量数据进行数据处理后输出；

第二处理器，连接于所述第一处理器和所述外部系统接口之间，所述第二处理器用于接入所述第一处理器数据处理后的惯性测量数据，并用于对数据处理后的惯性测量数据进行算法融合处理后，经所述外部系统接口输出至所述外部系统。

可选地，多个所述接口控制器、所述第一处理器及所述第二处理器集成于同一集成芯片中。

可选地，所述同步采集电路还包括：

第二时钟信号输入端，用于接入第三预设频率的时钟信号；

第二锁相环，所述第二锁相环的输入端与所述第二时钟信号输入端连接，所述第二锁相环的第一输出端与所述第一处理器的时钟端连接，所述第二锁相环的第二输出端与所述第二处理器的时钟端连接；

所述第二锁相环，用于将接入的所述第三预设频率的时钟信号分频为第四预设频率的时钟信号和第五预设频率的时钟信号，并将分频得到的所述第四预设频率的时钟信号输出至所述第一处理器的时钟端，以及将分频得到的所述第五预设频率的时钟信号输出至所述第二处理器的时钟端。

可选地，所述同步触发信号输入端、多个所述接口控制器、所述第一时钟信号输入端、所述第一锁相环集成于第一微控制器中；

和/或，所述外部系统接口、所述第一处理器、所述第二处理器、所述第二时钟信号输入端、所述第二锁相环集成于第二微控制器中。

本发明还提出一种测量系统，所述测量系统包括：

惯性测量阵列；以及，

如上述的同步采集电路，所述同步采集电路与所述惯性测量阵列中多个惯性测量单元连接。

本发明还提出一种交通工具，所述交通工具包括如上述的测量系统。

本发明技术方案通过使得惯性系统通过本发明提出的同步采集电路同步接入惯性测量阵列中各惯性测量单元输出的惯性测量数据，因而消除了单次读取的各惯性测量数据之间所存在时间偏差，从而降低了融合后惯性测量数据相对真实的姿态数据失真，进而解决了轮流读取惯性测量数据的数据读取方式导致惯性系统响应的准确性和及时性较低的问题，有利于复杂惯性测量阵列在数据输出频率较快、系统响应严格、控制精度要求较高的惯性系统中的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明同步采集电路一实施例的结构示意图；

图2为本发明同步采集电路另一实施例的结构示意图；

图3为本发明同步采集电路又一实施例的结构示意图；

图4为本发明同步采集电路中第一时钟电路的电路示意图；

图5为本发明同步采集电路中第二时钟电路的电路示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有技术中，惯性系统中的微控制器通常可采用基于总线架构轮询的方式来进行惯性测量单元的数据采集，以下例举两种轮询方式来对现有技术进行解释说明。在一种总线架构中微控制器具有多个总线接口，每一总线接口通过一根I2C或者SPI通信总线与惯性测量阵列中的多个惯性测量单元连接，微控制器通过各惯性测量单元的总线地址来依次获取每一通信总线上连接的各惯性测量单元输出的惯性测量数据；在另一种总线架构中微控制器具有数据传输接口和多个总线接口，该数据传输接口分别与多个惯性测量单元连接，每一总线接口与惯性测量整列中的一个惯性测量单元连接，微控制器通过多个总线接口依次输出相应的片选信号至多个惯性测量单元，来使得多个惯性测量单元可依次输出惯性测量数据至数据传输接口。由此可见，微控制器需要轮流采集阵列中每个惯性测量单元的惯性测量数据，因而使得单次读取的各惯性测量数据之间会存在时间偏差，从而造成融合后的惯性测量数据相对真实的姿态数据失真，进而影响惯性系统响应的准确性和及时性，且该影响对于采用复杂惯性测量阵列，且要求数据输出频率较快、系统响应严格、控制精度要求较高的惯性系统来说更为明显。

为解决上述问题，参照图1，本发明提出一种同步采集电路，应用于测量系统中，所述测量系统包括惯性测量阵列，所述同步采集电路包括：同步触发信号输入端10，用于接入同步触发信号；多个接口控制器20，多个所述接口控制器20的受控端均与所述同步触发信号输入端10连接，每一所述接口控制器20的输入端与所述惯性测量阵列中的一个惯性测量单元01连接；各所述接口控制器20用于在接收到所述同步触发信号时同步启动工作，并采集与其对应连接的所述惯性测量单元01输出的惯性测量数据。

可选地，同步触发信号输入端10可以与惯性系统连接，惯性系统可在需要获取惯性测量数据来进行惯性控制时输出同步触发信号至同步触发信号输入端10。或者，同步触发信号输入端10可以与一专用的同步触发信号生成电路的输出端连接，同步触发信号生成电路的受控端可与惯性系统连接，惯性系统还可在需要获取惯性测量数据以进行姿态控制时，输出一控制信号至同步触发触发信号生成电路，以控制同步触发信号生成电路生成并输出同步触发信号至同步触发信号输入端10。

可选地，接口控制器20为采用I2C接口控制器、SPI接口控制器等总线接口控制器20来实现，且多个接口控制器20口可采用相同类型的总线接口控制器20，以避免采用不同类型的总线接口控制器20所带来的采集延时不一致。每一接口控制器20可通过对应类型的通信总线与一个惯性测量单元01连接，例如：当接口控制器20为I2C接口控制器时，可通过I2C通信总线与对应的惯性测量单元01连接；当接口控制器20为SPI接口控制器时，可通过SPI通信总线与对应的惯性测量单元01连接，且任意两接口控制器20所连接的为不同的惯性测量单元01。每一接口控制器20可在未接收到同步触发信号时，不启动采集所对应连接的惯性测量单元01输出的惯性测量数据；在接收到同步触发信号，启动并采集所对应连接惯性测量单元01输出的惯性测量数据，其中，惯性测量数据可为三轴加速度数据和角速度数据二者中的至少一者。由于多个接口控制器20的受控端均与同一同步触发信号输入端10连接，因而可确保多个接口控制器20同时接收到同步触发信号，并在同步触发信号的作用下同步开启工作，从而以使得多个接口控制器20可同步采集惯性测量阵列中各惯性测量单元01输出的惯性测量数据。

可以理解的是，由于每个接口控制器20分别连接一个惯性测量单元01，以在工作时即可接入所连接惯性测量单元01输出惯性测量数据，因而无需通过总线地址来依次获取通信总线上各惯性测量单元01输出的惯性测量数据，且也无需输出片选信号至所连接的惯性测量单元01来控制多个惯性测量单元01依次输出惯性测量数据，并且各个接口控制器20的输入端均接入同步触发信号，使得多个接口控制器20的开启可不受通讯时序的限制，即可同步启动工作，以使得多个接口控制器20可在开启后同步获取多个惯性测量单元01输出惯性测量信号。

如此，即可使得惯性系统通过本发明提出的同步采集电路同步接入惯性测量阵列中各惯性测量单元01输出的惯性测量数据，因而消除了单次读取的各惯性测量数据之间所存在时间偏差，从而降低了融合后惯性测量数据相对真实的姿态数据失真，进而解决了轮流读取惯性测量数据的数据读取方式导致系统响应的准确性和及时性较低的问题，有利于复杂惯性测量阵列在数据输出频率较快、系统响应严格、控制精度要求较高的惯性系统中的应用。

参照图2和图3，所述同步采集电路还包括：第一时钟信号输入端30，用于接入第一预设频率的时钟信号CK1；第一锁相环40，所述第一锁相环40的输入端与所述第一时钟信号输入端30连接，所述第一锁相环40的输出端分别与多个所述接口控制器20的时钟端连接；所述第一锁相环40，用于将接入的所述第一预设频率的时钟信号CK1分频为第二预设频率的时钟信号CK2，并将分频得到的所述第二预设频率的时钟信号CK2分别输出至多个所述接口控制器20的时钟端，以使多个所述接口控制器20根据第二预设频率的时钟信号CK2同步采集多个所述惯性测量单元01的惯性测量数据。

可选地，第一时钟信号输入端30可与第一时钟电路连接，以接入第一时钟电路生成并输出的具有第一预设频率的时钟信号CK1。其中，第一预设频率可为125MHz；第二预设频率可根据实际需要来进行确定，在此不做限定。

参照图4，第一时钟电路可包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电感L1、第一电阻以及第一晶振Y1；第一电容C1和第二电容C2的第一端可接入供电电压，第一电容C1和第二电容C2的第一端可经第一电感L1与第一晶振Y1的电源端连接，第一电容C1和第二电容C2的第二端以及第一晶振Y1的接地端可接地，第三电容C3可连接于第一晶振Y1的电源端和接地端之间，第一晶振Y1的输出端可经第一电阻输与第一时钟输入端连接，第四电容C4的第一端可连接于第一电阻与第一时钟输入端之间，第四电容C4的第二端接地。其中，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第一电感L1形成CLC滤波电路，以确保第一晶振Y1输出的第一预设频率的时钟信号CK1不受电源噪声干扰，从而以为各接口控制器20提供稳定的时钟信号。

第一锁相环40可将第一预设频率的时钟信号CK1，分频为一低于频率低于第一预设频率的时钟信号CK1，即第二预设频率的时钟信号CK2后，将第二预设频率的时钟信号CK2输出每一接口电路的时钟端，以使多个接口控制器20均可根据接入的第二预设频率的时钟信号CK2对所连接的惯性测量单元01输出的数据进行持续多次采集。如此，即可使得多个接口控制器20在每一次采集惯性测量数据的时间相同，从而以消除多个接口控制器20工作时钟不同所带来的采集时间误差，有利于提高惯性测量数据的采集同步性，且与前述同步触发信号相结合，可确保多个接口控制器20同步开启以及进行同步采集，以进一步降低各接口控制器20之间数据采集所存在的时间误差，有利于进一步提高系统的响应的准确性和及时性。

可选地，所述第二预设频率与所述惯性测量单元01所接入时钟信号的频率相同。

惯性测量单元01同样具有时钟端，用以接入具有第六预设频率的时钟信号CK6；惯性测量单元01用于根据第六预设频率的时钟信号CK6，测量惯性数据并输出相应的惯性测量数据。如此，通过将第一预设频率与第六预设频率设置为相等，以使得每一接口控制器20的数据采集时间可与惯性测量单元01的数据输出时间一致，因而可消除接口控制器20的数据采集时间与惯性测量单元01的数据输出时间不一致所带来的时间误差，有利于进一步提高惯性测量数据的采集同步性。

参照图2和图3，所述同步采集电路还包括：外部系统接口50，用于与外部系统连接；处理器60，所述处理器60的输入端经高速通信总线与多个接口控制器20的输出端连接，所述处理器60的输出端与所述外部系统接口50连接；所述处理器60，用于读取多个接口控制器20采集的惯性测量数据，并用于对读取的惯性测量数据进行处理后经所述外部系统接口50输出至所述外部系统。

可选地，外部系统接口50可采用CAN接口、RS422接口或者RS485接口来实现，外部系统可为惯性系统或者其他用于进行导航控制的相关系统。各接口控制器20在采集到惯性测量数据后，可先存储于自身的存储器中，并可响应于处理器60的调用将存储的惯性测量数据输出至处理器60，以供处理器60可通过高速通信总线同步接入多个接口控制器20输出的惯性测量数据。处理器60可对读取到的惯性测量数据进行误差补偿处理、故障诊断处理、隔离处理、多数据融合解算处理、算法融合处理等相关处理工作中的至少一者后，经外部系统接口50输出处理结果至外部系统，以供外部系统可根据接收到的处理结果进行导航融合算法的进一步运算。如此，通过设置处理器60以输出惯性测量数据处理后的处理结果至外部系统，以避免将多个接口控制器20存储的惯性测量数据分别输出至外部系统所导致的时间差，有利于提高外部系统响应的准确性和及时性。

可选地，所述处理器60包括：第一处理器61，用于读取多个接口控制器20采集的惯性测量数据，并用于对读取的惯性测量数据进行数据处理后经所述外部系统接口50输出至所述外部系统，以供所述外部系统将数据处理后的惯性测量数据进行算法融合处理。

具体为，第一处理器61可对读取的惯性测量数据进行误差补偿、故障诊断隔离、多数据融合解算等相关工作中的至少一者后，输出处理结果至外部系统，以供外部系统可对接收到的处理结果进行进一步的导航算法或者控制算法融合，从而以实现导航控制。如此，通过使得外部系统接入处理结果来进行算法融合，有利于降低外部系统的系统延时。

可选地，参照图3，所述处理器60包括：第一处理器61，用于读取多个接口控制器20采集的惯性测量数据，并用于对读取的惯性测量数据进行数据处理后输出；第二处理器62，连接于所述第一处理器61和所述外部系统接口50之间，所述第二处理器62用于接入所述第一处理器61数据处理后的惯性测量数据，并用于对数据处理后的惯性测量数据进行算法融合处理后，经所述外部系统接口50输出至所述外部系统。

具体为，第一处理器61可对读取的惯性测量数据进行误差补偿、故障诊断隔离、多数据融合解算等相关工作中的至少一者后，输出处理结果至第二处理器62；第二处理器62可对接收到的处理结果进行进一步的导航算法或者控制算法融合后，输出算法融合结果至外部系统，以供外部系统可直接根据算法融合结果进行导航控制。如此，通过使得外部系统接入算法融合结果来实现导航控制，有利于进一步降低外部系统的系统延时，且相较于使得第一处理器61来执行算法融合处理而言，第二处理器62可与第一处理器61同步工作，不仅提高了处理效率，且还可显著降低第一处理器61的占用率。

可选地，所述第一处理器61还用于存储数据处理前的惯性测量数据以及数据处理后的惯性测量数据。

参照图2，第一处理器61还可与一存储电路连接，存储电路可设于同步采集电路中，也可设于同步采集电路之外，在此不做限定。第一处理器61可将从多个接口控制器20读取的原始惯性测量数据以及自身处理后的惯性测量数据，存储于存储电路中，以便于在检修等后续使用场景时调用获取。

可选地，多个所述接口控制器20、所述第一处理器61及所述第二处理器62集成于同一集成芯片PSOC中。

存储电路中还可存储有各项误差参数和启动配置文件。其中，各项误差参数可供第一处理器61在对惯性测量数据进行数据处理时调用；启动配置文件用于供第一处理器61在集成芯片PSOC在上电后调用，以根据启动配置文件加载配置集成芯片PSOC正常工作时的相关数据。集成芯片PSOC可分为系统侧和逻辑侧，其中第一处理器61和第二处理器62可设于集成芯片PSOC的系统侧，多个接口控制器20可位于集成芯片PSOC的逻辑侧，系统侧和逻辑侧可通过芯片内部的高速总线实现惯性测量数据的数据传输。如此，通过采用集成芯片PSOC内部总线来实现多个接口控制器20、第一处理器61及第二处理器62彼此之间的数据传输，而集成芯片PSOC内部总线可支持的传输速度较快，因而有利于进一步降低数据传输延时。

参照图2和图3，所述同步采集电路还包括：第二时钟信号输入端70，用于接入第三预设频率的时钟信号CK3；第二锁相环80，所述第二锁相环80的输入端与所述第二时钟信号输入端70连接，所述第二锁相环80的第一输出端与所述第一处理器61的时钟端连接，所述第二锁相环80的第二输出端与所述第二处理器62的时钟端连接；所述第二锁相环80，用于将接入的所述第三预设频率的时钟信号CK3分频为第四预设频率的时钟信号CK4和第五预设频率的时钟信号CK5，并将分频得到的所述第四预设频率的时钟信号CK4输出至所述第一处理器61的时钟端，以及将分频得到的所述第五预设频率的时钟信号CK5输出至所述第二处理器62的时钟端。

可选地，第二时钟信号输入端70可与第二时钟电路连接，以接入第二时钟电路生成并输出的具有第三预设频率的时钟信号CK3，其中，第三预设频率可为33.3MHz。第四预设频率和第五预设频率可根据实际需要来进行确定，在此不做限定。

参照图5，第二时钟电路可包括第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第二电感L2、第二电阻以及第二晶振Y2；第五电容C5和第六电容C6的第一端可接入供电电压，第五电容C5和第六电容C6的第一端可经第二电感L2与第二晶振Y2的电源端连接，第五电容C5和第六电容C6的第二端以及第二晶振Y2的接地端可接地，第七电容C7可连接于第二晶振Y2的电源端和接地端之间，第二晶振Y2的输出端可经第二电阻输与第一时钟输入端连接，第八电容C8的第一端可连接于第二电阻与第一时钟输入端之间，第八电容C8的第二端接地。其中，第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7和第二电感L2形成CLC滤波电路，以确保第二晶振Y2输出的第三预设频率的时钟信号CK3不受电源噪声干扰，从而以为第一处理器61和第二处理器62提供稳定的时钟信号。

可选地，所述同步触发信号输入端10、多个所述接口控制器20、所述第一时钟信号输入端30、所述第一锁相环40集成于第一微控制器中；

和/或，所述外部系统接口50、所述第一处理器61、所述第二处理器62、所述第二时钟信号输入端70、所述第二锁相环80集成于第二微控制器中。

本实施例中，第一微控制器可选用MCU，第二微控制器可选用FPGA，第一微控制器和第二微控制器之间可通过电路板走线来实现数据传输。如此，当需要更换数据处理部分或者采集部分时，只需卸载下件当前安装的第一微控制器或者第二微控制器，并同时安装新的第一微控制器或者第二微控制器即可，从而避免了集成芯片PSOC的整体更换，有利于降低更换成本。

可选地，所述同步采集电路还包括：导航卫星通信电路，用于实现第一处理器61和/或第二处理器62与卫星的通信连接。

本发明还提出一种测量系统，该测量系统包括惯性测量阵列和同步采集电路，该同步采集电路的具体结构参照上述实施例，由于本测量系统采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

其中，惯性测量阵列可包括阵列设置的多个惯性测量单元01，同步采集电路可与所述惯性测量阵列中多个惯性测量单元01连接。

本发明还提出一种交通工具，该交通工具包括测量系统，该测量系统的具体结构参照上述实施例，由于本交通工具采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

其中，交通工具可为飞行汽车。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。