基于DSP和CPLD的光纖陀螺信號采集系統(tǒng)設(shè)計

摘要：隨著光纖陀螺在空空導(dǎo)彈中的廣泛應(yīng)用，為了對其特性進(jìn)行深入研究，設(shè)計了一種光纖陀螺信號采集系統(tǒng)。硬件結(jié)構(gòu)采用了DSP+CPLD的方式，控制AD芯片完成多路光纖陀螺數(shù)據(jù)的采集。為了降低干擾對采集精度的影響，在硬件以及軟件方面進(jìn)行了抗干擾設(shè)計。通過對該系統(tǒng)的測試驗證，性能指標(biāo)滿足使用要求。本系統(tǒng)設(shè)計新穎、實用，操作簡單快捷。
關(guān)鍵詞：光纖陀螺；DSP；CPLD；信號采集系統(tǒng)

0 引言
    光纖陀螺作為一種新型的慣性器件，近年來得到越來越多的關(guān)注，因為它有許多其他陀螺無法比擬的優(yōu)越性，比如結(jié)構(gòu)簡單，精度高，動態(tài)范圍大，抗電磁干擾，無加速度引起的漂移且成本低，可靠性好等。陀螺可以為載體提供準(zhǔn)確的角速度和角位移等信號，完成對運動體的姿態(tài)和運動軌跡控制。其優(yōu)良的品質(zhì)使自身能夠滿足軍工和民用對慣性器件苛刻的要求，并得到廣泛的應(yīng)用。
    慣性器件的性能直接影響到控制系統(tǒng)本身的穩(wěn)定性能，所以光纖陀螺被應(yīng)用到空空導(dǎo)彈中時，需要對陀螺的特性有充分的了解，為此構(gòu)建了一個陀螺采集系統(tǒng)，以實現(xiàn)對陀螺信號的采集及特性分析。

1 光纖陀螺的工作原理
    光纖陀螺是激光陀螺的一種，其基本原理基于Sagnac效應(yīng)，即用光纖繞制成環(huán)柱形光路，光源發(fā)出的光經(jīng)過分束器分為兩束之后，送到光纖中，隨著陀螺的轉(zhuǎn)動，分別沿順時針和逆時針方向傳輸，經(jīng)過一周后，這兩束相反方向傳播的光回到分束器中形成干涉，當(dāng)光纖形成的環(huán)狀回路不轉(zhuǎn)動時，順、逆光程到達(dá)分束器的時間相等，兩束光的相位差為零；當(dāng)環(huán)狀回路轉(zhuǎn)動時，順、逆光程就產(chǎn)生差異，在一段時間內(nèi)分束器已從A點轉(zhuǎn)到了A’點，對順時針傳播的光束，當(dāng)它再次到分束器時多走了AA’的路程(如圖1所示)?？梢愿鶕?jù)兩束光的相位差來獲得回路轉(zhuǎn)動的角速度。光纖的檢測靈敏度和分辨率比激光陀螺提高了幾個數(shù)量級。

2 系統(tǒng)構(gòu)成及其工作原理
    本文設(shè)計的信號采集系統(tǒng)通過雙口RAM實現(xiàn)上位機與DSP的通信，控制板采用DSP+CPLD的方式，控制AD芯片完成多路光纖陀螺數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)工作流程為DSP接收到上位機通過雙口RAM傳來的采集指令，通過地址／數(shù)據(jù)總線與CPLD進(jìn)行通信，控制AD芯片對外部的多路陀螺信號進(jìn)行采集，之后通過雙口RAM送到上位機，上位機實現(xiàn)各種圖形界面操作和后端信號處理，對所采集的信號進(jìn)行分析。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

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3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)主要由DSP芯片TMS320F2812、雙口RAMCY7C131，CPLD芯片EPM7128T1100、ADC芯片ADS8364以及傳感器信號調(diào)理電路組成。
    DSP主要負(fù)責(zé)與上位機通信，以及和CPLD共同控制AD實現(xiàn)對多路光纖陀螺數(shù)據(jù)的采集，這里選用TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812。該芯片專門為控制系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計，它采用1．8 V的內(nèi)核電壓，具有3．3 V的外圍接口電壓，片內(nèi)存儲容量為18 KB SRAM，128 KB FLASH，最高主頻150 MHz，片內(nèi)集成有多種外設(shè)接口。
    雙口RAM主要輸出數(shù)據(jù)采集指令并接收DSP傳送的陀螺值。選用的雙端口RAM型號為CY7C131，采用5 V供電，容量為1K×8 b，實際使用數(shù)據(jù)交換區(qū)為256×8 b。在256 B的存儲空間內(nèi)分為兩個數(shù)據(jù)區(qū)，一個數(shù)據(jù)區(qū)(A)存放上位機下發(fā)的指令信息，另一個數(shù)據(jù)區(qū)(B)存放采集的陀螺數(shù)據(jù)信息。由于控制DSP與上位機對雙口RAM的讀寫速度不同，為防止由于速度不匹配造成的讀寫沖突，在軟件中相應(yīng)的存儲區(qū)設(shè)置讀寫標(biāo)志位，通過此標(biāo)志位來確定雙端口RAM的讀寫狀態(tài)。
    在本系統(tǒng)中，CPLD是一個重要的組成部分，由CPLD組成的邏輯控制模塊接收DSP傳送過來的動作命令，控制AD某通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這里選用Altera公司的EPM7128芯片。CPLD作為一個單獨的控制執(zhí)行結(jié)構(gòu)，通過編寫相應(yīng)VHDL代碼，即可生成相應(yīng)的操作電路，實現(xiàn)對各種輸入信號的鎖存、判斷和對控制信號的執(zhí)行。
    A／D轉(zhuǎn)換芯片選用TI公司的高速、低功耗、六通道同步采樣的16 b轉(zhuǎn)換器ADS8364，可保證采樣精度達(dá)到12位以上。芯片內(nèi)部包含六個采樣保持器，可保證六路信號同時采樣；信號輸入范圍為0～5 V，最大轉(zhuǎn)換速度250K，可以滿足電位計、旋變信號采集速度和精度的要求。并且數(shù)字邏輯電平為3．3 V?？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(shè)計中，用CPLD實現(xiàn)ADS8364的接口控制電路。
    陀螺模擬信號是-5～+5 V差分信號，通過信號調(diào)理，轉(zhuǎn)化到0～5 V之間。當(dāng)轉(zhuǎn)速低的時候，因受系統(tǒng)影響信號上有毛刺，需要進(jìn)行濾波，設(shè)計一個RC低通濾波電路去掉高頻干擾即可。

4 系統(tǒng)軟件流程
    系統(tǒng)中DSP軟件代碼主要由兩部分組成：與上位機通信和對陀螺信號的采集。軟件開發(fā)在CCS3．1(Code Composer Studio)中進(jìn)行。TMS 320F2812的主程序流程如圖3所示。

    系統(tǒng)上電后，首先完成DSP中各個寄存器的初始化，包括配置RAM模塊，設(shè)置定時器、中斷等，然后系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài)。進(jìn)入中斷，首先對雙口RAM進(jìn)行查詢，監(jiān)測是否有采集指令下發(fā)，如果有，則啟動A／D，然后把數(shù)據(jù)通過雙口RAM傳給上位機，否則返回循環(huán)等待狀態(tài)。
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5 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計
    為了保證控制系統(tǒng)工作時的穩(wěn)定性和可靠性，在系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)充分考慮到系統(tǒng)工作時的各種干擾情況，避免在設(shè)計完成后再去進(jìn)行抗干擾的補救措施。電路板上每個IC的每個電源引腳要并接一個0．1μF高頻電容，以減小IC對電源的影響；控制系統(tǒng)的驅(qū)動部分和控制部分應(yīng)完全隔離，在控制信號加到驅(qū)動模塊時應(yīng)采用光耦隔離；對于大電流，頻繁切換的元件，為了有效地減少由于發(fā)熱引起的不穩(wěn)定，在芯片上加上散熱片；PCB布線時，電源線和地線要盡量粗，除減小壓降外，更重要的是降低耦合噪聲。數(shù)字地和模擬地的隔離，最后在一點接到一起等等?？傊谠O(shè)計中盡可能提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

6 試驗驗證及分析
    試驗結(jié)果表明本采集系統(tǒng)能夠獲得高精度的光纖陀螺信號，圖4是系統(tǒng)在靜止?fàn)顟B(tài)測試到的陀螺數(shù)據(jù)，圖5為系統(tǒng)在振動試驗時測試到的數(shù)據(jù)(比例尺為100：1)。從圖中可以獲得不同量級振動對陀螺性能的影響，可以根據(jù)此數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的頻譜分析或者噪聲量化處理。

7 結(jié)論
    本光纖陀螺采集系統(tǒng)設(shè)計新穎，對信號采集設(shè)計有非常重要的意義。系統(tǒng)使用方便快捷，可以滿足日常的研究需要，后續(xù)可以在軟件中增加濾波對采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使采集到的數(shù)據(jù)更有研究價值，使用更加便利。