基于軟核處理器的二頻機(jī)抖陀螺信號處理系統(tǒng)

1 引言

激光陀螺的工作原理是Sagnac效應(yīng)，與傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺相比，激光陀螺具有精度高、耐環(huán)境性能好、動(dòng)態(tài)性能好、啟動(dòng)時(shí)間短、壽命長及數(shù)字式輸出等特點(diǎn)，是捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的理想元件。目前激光陀螺已逐漸取代傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺，廣泛應(yīng)用于軍用飛機(jī)、水面艦艇、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、民用航空、陸用車輛和定位定向系統(tǒng)等領(lǐng)域。

二頻機(jī)抖陀螺工作電路包括高壓電源、抖動(dòng)驅(qū)動(dòng)與噪聲注入、穩(wěn)頻和信號解調(diào)等部分。系統(tǒng)設(shè)計(jì)以軟核處理器為核心.實(shí)時(shí)控制穩(wěn)頻、抖動(dòng)驅(qū)動(dòng)與噪聲注入和高壓電源等單元，并實(shí)現(xiàn)陀螺讀取信號的鑒相解調(diào)與數(shù)字濾波。

Nios II是Altera開發(fā)的嵌入式軟核處理器，采用RISC精簡指令集，具有外設(shè)可定制、可裁剪性等優(yōu)點(diǎn)，可方便嵌入Cvclone及Stratix系列 FPGA。陀螺信號處理系統(tǒng)中需要多種定制化的外設(shè)，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(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為系統(tǒng)的功能原理框圖。圖中A、B為光電轉(zhuǎn)換器接收的拍頻信號過零比較后產(chǎn)生的方波信號，這兩路方波信號經(jīng)跳變檢測和鑒相后產(chǎn)生跳變脈沖和方向信號?？赡嬗?jì)數(shù)器根據(jù)方向信號對脈沖進(jìn)行可逆計(jì)數(shù)，而和頻計(jì)數(shù)器仍對脈沖進(jìn)行正向計(jì)數(shù)。低通濾波器對可逆計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值進(jìn)行濾波，并將濾波值輸入到處理器。UART1和上位機(jī)通訊，而UART2和UART3分別與穩(wěn)頻和抖動(dòng)電路通訊，以控制穩(wěn)頻和抖動(dòng)參數(shù)。2個(gè)SPI接口分別控制A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換的部分。

考慮到系統(tǒng)資源要求，F(xiàn)PGA采用Altera公司生產(chǎn)的EP2C200240C8，它屬于Cyclone II系列，其內(nèi)部資源主要有：多達(dá)兩萬個(gè)邏輯處理單元(LE);52個(gè)M4K模塊，總共26 KB的片內(nèi)RAM;26個(gè)18×18硬件乘法器;4個(gè)全局時(shí)鐘鎖相環(huán);多達(dá)142個(gè)外部引腳。系統(tǒng)選用快速型Nios II處理器，處理器占用3 000多個(gè)邏輯處理單元，工作時(shí)鐘為100 MHz。由于系統(tǒng)處理器程序運(yùn)行在SDRAM中，所以在構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)要添加SDRAM控制器，SDRAM使用HY57V283220，其存儲空間為16 M字節(jié)，完全能夠滿足處理器實(shí)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?yàn)槌绦驈? EPCS啟動(dòng)，所以在SoPC設(shè)計(jì)時(shí)添加外設(shè)EPCS控制器以引導(dǎo)程序的初始運(yùn)行。

3 信號濾波實(shí)現(xiàn)

激光陀螺的讀取信號是由兩個(gè)光電管經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的，工藝上要保證兩個(gè)光電管的拍頻相位相差90°，這樣便于在信號處理時(shí)進(jìn)行相位檢測。為了盡量減小鎖區(qū)帶來的誤差，一般在陀螺中加入一個(gè)正負(fù)交變的正弦偏頻信號：

根據(jù)Sagnac效應(yīng)，若外界的角速度為Ω轉(zhuǎn)，則激光陀螺輸出差頻為：

式中，A為環(huán)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(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值(即式(3)的積分值)進(jìn)行濾波。

這里采用FIR數(shù)字低通濾波器，如果FIR濾波器的系數(shù)對稱，則具有精確、嚴(yán)格的線性相位，這正是實(shí)際導(dǎo)航應(yīng)用所要求的。為了兼顧實(shí)時(shí)性和防止信號產(chǎn)生混迭，設(shè)定采樣率為2 kHz，采用高階FIR濾波器。

圖2為1 s內(nèi)采集的可逆計(jì)數(shù)器的輸出信號，從圖中可看出：有用信號已被抖動(dòng)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(dòng)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(yīng)抖動(dòng)頻率)，還原出被測量信號必須對可逆計(jì)數(shù)器的輸出信號進(jìn)行低通濾波，以濾除抖動(dòng)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(diǎn)(即1 s時(shí)間內(nèi))恒定地球轉(zhuǎn)速下累計(jì)約15個(gè)信號脈沖。

可編程邏輯器件為FIR濾波器的設(shè)計(jì)提供高靈活性，可采取多種結(jié)構(gòu)，例如并行流水線結(jié)構(gòu)、串行結(jié)構(gòu)等?？紤]到采樣率相對不是很高，為節(jié)約系統(tǒng)資源，這里采用自行設(shè)計(jì)的串行結(jié)構(gòu)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(shù)可能也不相同，這就要求處理器能夠根據(jù)需要實(shí)時(shí)調(diào)整測試電路參數(shù)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控電路和陀螺狀態(tài)，對出現(xiàn)的問題能夠自我感知。UART1為面向上位機(jī)的通訊接口，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后通過RS232線纜連接至計(jì)算機(jī).它一方面接收計(jì)算機(jī)的控制參數(shù)，另一方面將采集的數(shù)據(jù)傳至計(jì)算機(jī)。

4.1 抖動(dòng)穩(wěn)頻控制

UART2與穩(wěn)頻板相連接，它對穩(wěn)頻電路的控制主要包括：(1)控制穩(wěn)頻電路的開啟或關(guān)閉;(2)監(jiān)測穩(wěn)頻是否異常;(3)實(shí)時(shí)讀取光強(qiáng)和控制電壓值。

而UART3是與抖動(dòng)電路通訊的接口，它對抖動(dòng)電路的控制主要包括：(1)控制抖動(dòng)電路的開啟或關(guān)閉;(2)監(jiān)測抖動(dòng)是否異常，監(jiān)測抖動(dòng)頻率; (3)下載噪聲表。UART2和UART3由于傳輸距離不是很長，設(shè)計(jì)中直接采用3.3 V電平，無需電平轉(zhuǎn)換，經(jīng)實(shí)際測試，沒有出現(xiàn)誤碼，通訊穩(wěn)定。

4.2 A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換部分

A/D轉(zhuǎn)換部分負(fù)責(zé)采集溫度、光強(qiáng)、控制電壓等模擬信息，同時(shí)采集陀螺內(nèi)部溫度，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，該系統(tǒng)選用ADS8344。ADS8344是一款高性能、低功耗的16位的A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)有高精度基準(zhǔn)電壓，最大采樣頻率為100 kHz，信噪比達(dá)84 dB，包含8個(gè)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(huán)形激光器的工作電流，D/A轉(zhuǎn)換部分采用具有雙路輸出的12位D/A轉(zhuǎn)換器AD5322，該器件具有超小體積，超小功耗的特點(diǎn)，完全與Nios II處理器SPI接口兼容。

5 實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

按照上述設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，研制以嵌入式軟核處理器Nios II為核心的二頻機(jī)械抖動(dòng)激光陀螺信號處理系統(tǒng)，并對某型國產(chǎn)二頻機(jī)抖陀螺進(jìn)行實(shí)際測試，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

經(jīng)長時(shí)間測試檢驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠有效控制與監(jiān)測陀螺的運(yùn)行工作參數(shù)，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。