基于DSP和CPLD的光纖陀螺信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：隨著光纖陀螺在空空導(dǎo)彈中的廣泛應(yīng)用，為了對(duì)其特性進(jìn)行深入研究，設(shè)計(jì)了一種光纖陀螺信號(hào)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(duì)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(jì)。通過對(duì)該系統(tǒng)的測(cè)試驗(yàn)證，性能指標(biāo)滿足使用要求。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)新穎、實(shí)用，操作簡單快捷。
關(guān)鍵詞：光纖陀螺；DSP；CPLD；信號(hào)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?yàn)樗性S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(dòng)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(hào)，完成對(duì)運(yùn)動(dòng)體的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)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(duì)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(shí)，需要對(duì)陀螺的特性有充分的了解，為此構(gòu)建了一個(gè)陀螺采集系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)陀螺信號(hào)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(dòng)，分別沿順時(shí)針和逆時(shí)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(dòng)時(shí)，順、逆光程到達(dá)分束器的時(shí)間相等，兩束光的相位差為零；當(dāng)環(huán)狀回路轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，順、逆光程就產(chǎn)生差異，在一段時(shí)間內(nèi)分束器已從A點(diǎn)轉(zhuǎn)到了A’點(diǎn)，對(duì)順時(shí)針傳播的光束，當(dāng)它再次到分束器時(shí)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(dòng)的角速度。光纖的檢測(cè)靈敏度和分辨率比激光陀螺提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

2 系統(tǒng)構(gòu)成及其工作原理
    本文設(shè)計(jì)的信號(hào)采集系統(tǒng)通過雙口RAM實(shí)現(xiàn)上位機(jī)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(jī)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(duì)外部的多路陀螺信號(hào)進(jìn)行采集，之后通過雙口RAM送到上位機(jī)，上位機(jī)實(shí)現(xiàn)各種圖形界面操作和后端信號(hào)處理，對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行分析。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

[!--empirenews.page--]

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(hào)調(diào)理電路組成。
    DSP主要負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信，以及和CPLD共同控制AD實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)，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(chǔ)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(hào)為CY7C131，采用5 V供電，容量為1K×8 b，實(shí)際使用數(shù)據(jù)交換區(qū)為256×8 b。在256 B的存儲(chǔ)空間內(nèi)分為兩個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)，一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)(A)存放上位機(jī)下發(fā)的指令信息，另一個(gè)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(jī)對(duì)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(chǔ)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(gè)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(dòng)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(gè)單獨(dú)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(shí)現(xiàn)對(duì)各種輸入信號(hào)的鎖存、判斷和對(duì)控制信號(hào)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(gè)采樣保持器，可保證六路信號(hào)同時(shí)采樣；信號(hào)輸入范圍為0～5 V，最大轉(zhuǎn)換速度250K，可以滿足電位計(jì)、旋變信號(hào)采集速度和精度的要求。并且數(shù)字邏輯電平為3．3 V。考慮到數(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(shí)對(duì)DSP的實(shí)時(shí)性要求也較高。因此在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，用CPLD實(shí)現(xiàn)ADS8364的接口控制電路。
    陀螺模擬信號(hào)是-5～+5 V差分信號(hào)，通過信號(hào)調(diào)理，轉(zhuǎn)化到0～5 V之間。當(dāng)轉(zhuǎn)速低的時(shí)候，因受系統(tǒng)影響信號(hào)上有毛刺，需要進(jìn)行濾波，設(shè)計(jì)一個(gè)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(jī)通信和對(duì)陀螺信號(hào)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(gè)寄存器的初始化，包括配置RAM模塊，設(shè)置定時(shí)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(duì)雙口RAM進(jìn)行查詢，監(jiān)測(cè)是否有采集指令下發(fā)，如果有，則啟動(dòng)A／D，然后把數(shù)據(jù)通過雙口RAM傳給上位機(jī)，否則返回循環(huán)等待狀態(tài)。
[!--empirenews.page--]
5 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)
    為了保證控制系統(tǒng)工作時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮到系統(tǒng)工作時(shí)的各種干擾情況，避免在設(shè)計(jì)完成后再去進(jìn)行抗干擾的補(bǔ)救措施。電路板上每個(gè)IC的每個(gè)電源引腳要并接一個(gè)0．1μF高頻電容，以減小IC對(duì)電源的影響；控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分和控制部分應(yīng)完全隔離，在控制信號(hào)加到驅(qū)動(dòng)模塊時(shí)應(yīng)采用光耦隔離；對(duì)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(shí)，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(diǎn)接到一起等等?？傊谠O(shè)計(jì)中盡可能提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證及分析
    試驗(yàn)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(hào)，圖4是系統(tǒng)在靜止?fàn)顟B(tài)測(cè)試到的陀螺數(shù)據(jù)，圖5為系統(tǒng)在振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)測(cè)試到的數(shù)據(jù)(比例尺為100：1)。從圖中可以獲得不同量級(jí)振動(dòng)對(duì)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(jì)新穎，對(duì)信號(hào)采集設(shè)計(jì)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(duì)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(jià)值，使用更加便利。