|
1 引言 激光陀螺的工作原理是Sagnac效應，與傳統的機械陀螺相比，激光陀螺具有精度高、耐環境性能好、動態性能好、啟動時間短、壽命長及數字式輸出等特點，是捷聯式慣性導航系統的理想元件。目前激光陀螺已逐漸取代傳統的機械陀螺，廣泛應用于軍用飛機、水面艦艇、戰術導彈、民用航空、陸用車輛和定位定向系統等領域。 二頻機抖陀螺工作電路包括高壓電源、抖動驅動與噪聲注入、穩頻和信號解調等部分。系統設計以軟核處理器為核心．實時控制穩頻、抖動驅動與噪聲注入和高壓電源等單元，并實現陀螺讀取信號的鑒相解調與數字濾波。 Nios II是Altera開發的嵌入式軟核處理器，采用RISC精簡指令集，具有外設可定制、可裁剪性等優點，可方便嵌入Cvclone及Stratix系列 FPGA。陀螺信號處理系統中需要多種定制化的外設，而一般處理器無法滿足這種要求，因此NiosⅡ軟核處理器是處理激光陀螺陀螺信號的理想選擇。 2 系統結構設計 圖1為系統的功能原理框圖。圖中A、B為光電轉換器接收的拍頻信號過零比較后產生的方波信號，這兩路方波信號經跳變檢測和鑒相后產生跳變脈沖和方向信號�？赡嬗嫈灯鞲鶕较蛐盘枌γ}沖進行可逆計數，而和頻計數器仍對脈沖進行正向計數。低通濾波器對可逆計數器的計數值進行濾波，并將濾波值輸入到處理器。UART1和上位機通訊，而UART2和UART3分別與穩頻和抖動電路通訊，以控制穩頻和抖動參數。2個SPI接口分別控制A／D轉換和D／A轉換的部分。 考慮到系統資源要求，FPGA采用Altera公司生產的EP2C200240C8，它屬于Cyclone II系列，其內部資源主要有：多達兩萬個邏輯處理單元(LE)；52個M4K模塊，總共26 KB的片內RAM；26個18×18硬件乘法器；4個全局時鐘鎖相環；多達142個外部引腳。系統選用快速型Nios II處理器，處理器占用3 000多個邏輯處理單元，工作時鐘為100 MHz。由于系統處理器程序運行在SDRAM中，所以在構建系統時要添加SDRAM控制器，SDRAM使用HY57V283220，其存儲空間為16 M字節，完全能夠滿足處理器實際需求。處理器程序固件和FPGA的配置信息存儲在EPCS串行配置器件中，這樣可減少一片外置Flash。因為程序從 EPCS啟動，所以在SoPC設計時添加外設EPCS控制器以引導程序的初始運行。 3 信號濾波實現 激光陀螺的讀取信號是由兩個光電管經光電轉換后產生的，工藝上要保證兩個光電管的拍頻相位相差90°，這樣便于在信號處理時進行相位檢測。為了盡量減小鎖區帶來的誤差，一般在陀螺中加入一個正負交變的正弦偏頻信號： 根據Sagnac效應，若外界的角速度為Ω轉，則激光陀螺輸出差頻為： 式中，A為環形激光器的面積，L為激光腔的總長。 對式(2)積分可得： 為了有效提取信號，通常是對可逆計數器的計數值(即式(3)的積分值)進行濾波。 這里采用FIR數字低通濾波器，如果FIR濾波器的系數對稱，則具有精確、嚴格的線性相位，這正是實際導航應用所要求的。為了兼顧實時性和防止信號產生混迭，設定采樣率為2 kHz，采用高階FIR濾波器。 圖2為1 s內采集的可逆計數器的輸出信號，從圖中可看出：有用信號已被抖動信號和量化噪聲完全覆蓋。圖3為信號的功率譜，從圖中可看到，抖動信號在功率譜中占很大分量(功率譜的最大值處的頻率對應抖動頻率)，還原出被測量信號必須對可逆計數器的輸出信號進行低通濾波，以濾除抖動及其他雜散信號。圖4為濾波后的脈沖輸出，不同于圖2，從圖4中可清楚地看出：在2 000點(即1 s時間內)恒定地球轉速下累計約15個信號脈沖。 可編程邏輯器件為FIR濾波器的設計提供高靈活性，可采取多種結構，例如并行流水線結構、串行結構等�？紤]到采樣率相對不是很高，為節約系統資源，這里采用自行設計的串行結構濾波。 4 接口部分 由于陀螺工作的外界條件不同，陀螺工作的最佳參數可能也不相同，這就要求處理器能夠根據需要實時調整測試電路參數，并實時監控電路和陀螺狀態，對出現的問題能夠自我感知。UART1為面向上位機的通訊接口，經電平轉換后通過RS232線纜連接至計算機．它一方面接收計算機的控制參數，另一方面將采集的數據傳至計算機。 4．1 抖動穩頻控制 UART2與穩頻板相連接，它對穩頻電路的控制主要包括：(1)控制穩頻電路的開啟或關閉；(2)監測穩頻是否異常；(3)實時讀取光強和控制電壓值。 而UART3是與抖動電路通訊的接口，它對抖動電路的控制主要包括：(1)控制抖動電路的開啟或關閉；(2)監測抖動是否異常，監測抖動頻率；(3)下載噪聲表。UART2和UART3由于傳輸距離不是很長，設計中直接采用3．3 V電平，無需電平轉換，經實際測試，沒有出現誤碼，通訊穩定。 4．2 A／D轉換和D／A轉換部分 A／D轉換部分負責采集溫度、光強、控制電壓等模擬信息，同時采集陀螺內部溫度，實現溫度補償，該系統選用ADS8344。ADS8344是一款高性能、低功耗的16位的A／D轉換器，內有高精度基準電壓，最大采樣頻率為100 kHz，信噪比達84 dB，包含8個單端模擬輸人通道(CH0～CH7)，參考電壓VRFF范圍為500 mV"VCC。ADS834通過三線SPI接口與Nios II處理器通訊。為了控制環形激光器的工作電流，D／A轉換部分采用具有雙路輸出的12位D／A轉換器AD5322，該器件具有超小體積，超小功耗的特點，完全與Nios II處理器SPI接口兼容。 5 實驗及結論 按照上述設計結構，研制以嵌入式軟核處理器Nios II為核心的二頻機械抖動激光陀螺信號處理系統，并對某型國產二頻機抖陀螺進行實際測試，測試數據如表1所示。 經長時間測試檢驗，系統運行穩定可靠，能夠有效控制與監測陀螺的運行工作參數，達到預期設計要求。 |
