（光学工程专业论文）三轴激光陀螺信号处理系统的研制.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 三轴激光陀螺( t r l g ) 是教研室正在研制的一种高集成度激光陀螺，为更好 地配合t r l g 测试和实验的需要，论文研制了t r l g 测试系统和t r l g 信号高速 采集存储系统。 首先，论文设计了t r l g 的测试系统，硬件部分主要由单片机、f p g a 和d s p 组成，由单片机来实现t r l g 输出光强电压、p z t 稳频电压、温度等模拟量的采 集，由f p g a 实现t r l g 输出信号的鉴相计数、高速采样和低通滤波，测试结果 通过r s 2 3 2 串口发送到上位机，高性能浮点d s p 为进一步扩展测试系统功能提供 了硬件基础；利用l a b v i e w 编写了t r l g 的测试软件，将各模拟量和t r l g 的输 出数据进行处理、显示和保存。 其次，论文设计了基于u s b 2 0 接口的t r l g 信号高速采集存储系统。系统由 高速采集电路和上位机组成，通过f p g a 、u s b 接口扩展芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 和 s d r a m 缓存芯片来实现t r l g 信号的处理、高速采集、传送，上位机控制高速采 集电路的运行，完成对高速采集数据的实时接收、保存。 最后分别对t r l g 测试系统和t r l g 信号高速采集存储系统进行了实验测试 和分析。对实验室的单轴二频激光驼螺和t r l g 进行了大量测试，测试结果表明 所研制的t r l g 测试系统能正常工作。对t r l g 信号高速采集存储系统进行了多 种条件下的验证实验，证实了系统的可靠性；用系统对t r l g 进行了实验，通过 对数据的分析得到了一些有用信息。 主题词：三轴激光陀螺高速采集低通滤波u s bf p g a 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 4b s t r a c t i no r d e rt om e e tt h en e e d so fb e t t e rt e s t i n ga n dd o i n ge x p e r i m e n t so ft h r e e a x i sr i n g l a s e rg y r o ( t r l g ) ，ak i n do fh i 曲i n t e n s i t yr i n gl a s e rg y r ow h i c hi su n d e rr e s e a r c hb y o u rd e p a r t m e n t ，t h i sp a p e ri n t r o d c u e dt h et e s t i n gs y s t e mo ft r l ga n dt h eh i g hs p e e d c o l l e c t i n ga n ds t o r i n gs y s t e mf o rt h es i g n a lo ft r l g f i r s t l y , t h et e s t i n gs y s t e mi si n t r o d u c e dw h i c hi n c l u d e sam i c r op r o c e s s o r , f p g a a n dd s p t h ef u n c t i o no ft h em i c r op r o c e s s o ri st or e a l i z et h ec o l l e c t i o no fl i g h t i n t e n s i t yv o l t a g e ，p z tv o l t a g eu s i n gf o rs t a b i l i z i n gf r e q u e n c ya n dt e m p e r a t u r e t h e f p g ai su s e dt of u l f i l lt h ep u r p o s eo ft h ep h a s ed e m o d u l a t i o no ft h es i g n a l ，h i 曲s p e e d c o l l e c t i n ga n dl o w - p a s sf i l t e r , t h er e s u l t si ss e n tt ot h et e s t i n gc o m p u t e rb yr s - 2 3 2 t h e f u n c t i o no ft h et e s t i n gs y s t e mc a nb ef u r t h e rb o a r d e n e db a s e do nt h eh i g hp e r f o r m a n c e d s p t h et e s t i n gs o f t w a r e ，w h i c hb a s e do nl a b v i e w ，c a np r o c e s s ，d i s p l a ya n ds t o r a g e t h eo u t p u td a t a s e c o n d l y , t h eh i g hs p e e dc o l l e c t i n ga n ds t o r i n gs y s t e mf o rt h et r l g w a si n v e n t e d b a s e do nu s b 2 0 ，w h i c hi n c l u d e st h eh i 。g hs p e e dc o l l e c t i n gc i r c u i t sa n dt e s t i n g c o m p u t e r t h eh i g hs p e e dc o l l e c t i n g ，p r o c e s s i n ga n dd e l i v e r i n gw a sr e a l i z e dt h r o u g h f p g a ，e x p a n s i o nc h i po fu s bc y 7 c 6 8 0 1 3a n ds d r a mc h i p t h et e s t i n gc o m p m e r c o n t r o lt h ep e r f o r m a n c eo fc o l l e c t i n gc i r c u i t s ，f i n i s ht h ei m m e d i a t er e c e i v i n ga n d s t o r i n go f t h ec o l l e c t i n gd a t a s f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a lt e s t i n ga n da n a l y s i n go ft h ea b o v es y s t e mw a sc a r r i e d o u t t h e t e s t i n gd a t a so fr l g sa n dt r l gp r o v et h a t t h e t e s t i n gs y s t e mw o r k s n o r m a l l y t h er e s u l t so fv a r i o u se x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h eh i g hs p e e dc o l l e c t i n ga n d s t o r i n gs y s t e mc o u l dw o r ku n d e rv a r i o u sc o n d i t i o n sr e l i a b l y a n ds o m eu s e f u l i n f o r m a t i o nc o u l dg e tt h r o u g ht h ea n a l y s i n go ft h eo r i g i n a ld a t a s k e yw o r d s ：t h r e e a x i sr i n gl a s e rg y r o ，h i g hs p e e dc o l l e c t i n g ，l o w - p a s sf i l t e r ， u s b ，f p g a 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表1 1国外三轴激光陀螺的技术指标3 表4 1 与c 4 h 系统零偏测试结果对照4 4 表4 2多次测试抖频均值对照4 5 表4 35 0 型激光陀螺d i # 零偏重复性与稳定性测试结果4 8 表4 49 0 型激光陀螺d 2 # 零偏重复性与稳定性测试结果4 8 表4 5常温下三轴激光陀螺零偏稳定性和重复性实验测试结果4 9 表4 6 对信号源信号高速采集的结果5 1 第页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图2 1 图 图 图 图 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 l 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图2 1 6 图2 1 7 图2 1 8 图2 1 9 图2 2 0 图2 2 1 图2 2 2 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图目录 s a g n a c 效应示意图1 s i n g e r - k e a r f o t t 公司生产的三轴激光陀螺3 系统整体结构图4 三轴激光陀螺输出信号处理硬件框图8 带干扰的实际输出信号9 数字延迟滤波器1 0 鉴相电路原理图1 0 鉴相电路时序图1 0 方波与方向信号关系图1 1 n i o s l i 软核处理器系统1 2 串口接收中断函数流程图1 6 采样滤波中断函数流程图1 6 软核处理器主程序流程图1 7 三级级联整系数滤波器的辐频特性2 0 三级级联整系数滤波器的相频特性2 0 c 8 0 5 1 f 5 3 0 硬件结构示意图2 2 模拟量采集部分的硬件结构图2 2 测温电桥2 3 光强信号的调理电路。2 3 p z t 信号的调理电路2 4 单片机主程序流程图2 4 测试软件整体结构图2 6 f p g a + d s p 硬件平台结构图2 8 t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 功能结构图2 8 d s p l 6 位数据总线模式x i n t f 硬件连接2 9 三轴激光陀螺输出信号高速采集存储系统整体结构图3 1 c y 7 c 6 8 0 1 3 内部结构图3 2 h y 5 7 v 2 8 1 6 2 0 f ( l s ) 部结构以及外部引脚3 3 s l a v e f i f o 传输示意图3 5 u s b 固件程序架构3 6 c y 7 c 6 8 0 13 与f p g a 硬件连接图3 8 s l a v e f i f o 模式同步写状态跳转图3 9 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图3 8 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 a 图4 5 b 图4 5 c 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1l 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 1 图4 2 2 软核处理器主程序流程图3 9 三轴激光陀螺的零偏测试界面4 3 陀螺抖频测试界面4 5 陀螺和频监测界面4 5 陀螺差频监测界面4 6 陀螺直流光强电压的监测界面4 7 p z t 稳频电压的监测界面4 7 四点温度的监测界面4 7 转台上的转动测试曲线5 0 u s b 高速采集存储应用程序界面5 0 4 k h z 采样频率下三轴激光陀螺单轴原始信号细分图5 2 8 k h z 采样频率下三轴激光陀螺单轴原始信号细分图5 2 1 6 k h z 采样频率下三轴激光陀螺单轴原始信号及其细分图5 2 2 5 k h z 采样频率下三轴激光陀螺单轴原始信号及其细分图5 2 2 5 k h z 采样频率下三轴激光陀螺输出信号的局部频谱图5 3 4 0 0 0 s 顺时针转动时三轴激光陀螺单轴输出原始信号5 4 4 0 0 0 s 顺时针转动时三轴激光陀螺输出信号的局部频谱图5 4 2 0 0 0 s 逆时针转动时三轴激光陀螺单轴输出原始信号5 4 2 0 0 0 s 逆时针转动时三轴激光陀螺输出信号的局部频谱图5 5 变速转动时三轴激光陀螺单轴输出原始信号5 5 变速转动时三轴激光陀螺输出信号的局部频谱图5 5 1 0 0 0 s 转动时d 3 # 陀螺输出信号及其细分图5 6 1 0 0 0 s 转动时d 3 # 陀螺输出信号局部频谱图5 6 1 0 0 0 s 转动时d 4 # 陀螺输出信号及其细分图5 6 1 0 0 0 s 转动时d 4 # 陀螺输出信号局部频谱图5 6 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：塑麴室 日期：幻刃年l z 月髟日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名： 作者指导教师签名：查日丝重 e l 期：矽口7 年2 月亭日 日期：土呷年位月吕日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 激光陀螺工作原理概述 传统的陀螺仪利用高速转动的机械转子的定向性和进动性来测定相对于惯性 空间的转速和方位，而激光陀螺的基本工作原理则是s a g n a c 效应n 一，所谓s a g n a c 效应，即在任意形状的环形光路中，沿顺、逆时针方向相对运行的两束光的相位 差( 或光程差) 的大小与该环形光路相对于惯性空间的转动速率成线性关系。 如图1 1 所示的圆形闭合环形光路以恒定转速q 相对于惯性空间绕垂直于环 路平面的中心轴旋转，设有两束光同时从固连在环路上的p 点出发，分别沿顺 ( c w ) 、逆( c c w ) 时针方向以光速c 运行，当q = 0 时，c w 、c c w 两束光运行一周 回到p 点的时间满足n 一1 ： t c 矿= t c c w = 2 n ：r c ( 1 1 ) p 图1 1s a g n a c 效应示意图 当q 0 时，相对于惯性空间的观测者来说，与q 同向的光波由于环路的转动 要多运行一段距离刀，而反向运行的光波却少运行刀，设环路光程为l ，口l l j k ：l i ( c 一朐) 兰( 1 + 丝) 1 ，卿：三他删蠢鱼 0 2 顺、逆时针方向的光波运行一周后经历的光程分别为： j b 。乩( 1 + r f 2 c ) ( 1 - 3 ) 【上c c 妒= c t c 矿l ( 1 - r f 2 c ) 、 顺、逆时针方向的光波的光程差为： a l = l c 矿一三c c 矿= c a t 4 破2 q c = 4 a f z c ( 1 4 ) 式中a = 斌2 是环路所围的面积，可以证明这一公式对于任何形状的环形光路 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 都成立，它是激光陀螺、光纤陀螺等其他光学陀螺的理论基础。 式( 1 4 ) 表明，光程差与环形光路面积、环形光路相对于空间的转速成正比，因 此只要测出此光程差就可以知道环形光路相对于惯性空间的转动角速度。然而由 于式( 1 4 ) 中分母上的光速很大，因而缸很小难以直接测量。 激光出现以后，鉴于环形谐振腔有转动角速度q 时，逆时针和顺时针光束的 谐振频率矿、矽不同，分别为： vv卿c矿：=qclbcwqc ( 1 5 ) ii j - 【v 卿2 厶聊 其中q 为行波纵模阶次，g = 2 1 l 。差频 ，与转速q 成正比，探测此差频即 可知道转动的角速度，环形行波振荡器正反行波间的频率差即拍频公式为： y = y 卿一：等q ( 1 6 ) 其中，名为光腔内的光波长，i 4 a 称之为比例因子。 将式( 1 6 ) 对时间t 积分，可得时间t 内的脉冲数为： - j 肌4 舡a 。 似t = 万4 a p ( 1 7 ) 其中，0 = id d t 是t 时间内环形腔相对于惯性空间的总转角。 吾 式( 1 6 ) ，式( 1 7 ) 为激光陀螺的原理公式，它们说明频率差与转速成正比，而脉 冲数与转角成正比乜1 。 1 2 三轴激光陀螺的发展现状 自从1 9 6 3 年美国斯佩里公司在实验室首次成功实现了环形激光陀螺的运转 后，经过4 0 多年的发展和完善，目前各种型号的激光陀螺已成功地在军用、民用 的多个领域得到广泛应用。世界上研发和生产激光陀螺的国家主要有美、中、英、 德、法、日本、俄罗斯和以色列。目前，基于不同偏频技术的单轴激光陀螺发展 比较成熟，已成功运用于各种捷联惯性导航系统中。在许多应用领域，为了检测 任意方向运动姿态的变化，必须用三个单轴陀螺独立地检测三个轴方向的转动。 为了减小三个单轴陀螺组合的体积和降低成本，各大研究机构设计了不同的技术 方案和加工工艺把三个单轴陀螺加工在一块腔体材料上口4 5 钔，称之为空间三轴激 光陀螺。 与单轴激光陀螺相比，空间三轴激光陀螺结构非常紧凑，其相互正交的每条 敏感轴之间的相对稳定性很好，另外，这种结构只使用一套抖动机构，一套放电 第2 页 国腑科学技术大学研究生院硕士学位论文 回路，镜面共享又可减少镜子数量，因而降低了成奉和复杂程度，但三轴激光陀 螺要求的加工工艺较高。 国外对三轴激光陀螺的研制起于上世纪八十年代，但真正能够成功井走向实 用的并不多，只有法国的s e x t a n t 、美国的s i n g e r k e a r f o t t 等少数公司研制出了 实用化定型产品( 如p i x y z l 4 、p i x y z 2 2 、t - 1 6 、t - 2 4 等) 。其零偏值如表1 1 所示。 表11 国外三轴激光陀螺的拄术指标 公司 s e x t a n t s i n g e r k e a r f o t t 型号 p i x y z l 4p i x y z 2 2 t 4 0 t 2 4t 1 6t 1 0 腔长( 伽) 1 42 24 02 41 61 0 零偏稳定性( 。k 1 0 100 0 30 0 0 30 0 0 30 0 1 5o 1 0 图蚕 图12s h a g c v - k e 2 v f o t t 公司生产的三轴激光陀螺 法国s e x t a n t 公司生产的p i x y z l 4 型三轴激光陀螺，已经用于虎式直升机的 导航系统。8 0 年代初，美国s i n g e r - k e a r f o t t 公司就已开始研制t r i l a g 系列整体式 三轴环形激光陀螺t r i l a g 包括3 个方型光学共振器，装在一独立单块设各中，反 光镜及其它组件分别装在三个相互垂直陀螺中间，因此，该设备结构非常紧凑， 而且很稳定。其设计优点包括：在给定体积和质量范围内具有最精确的三轴r i g 结构 每个三轴系统的零件最少，成本最低；由于是单块装备。其稳定性最好。 t r i l a g 系列应用广泛，也有各种不同的尺寸。这些陀螺有抗核加固结构，能在极端 温度下工作，可承受振动和冲击，适用封装于军用环境下的捷联结构中。1 9 8 3 年 研究出的1 4 型，直径1 2 7 c m ，供巡航导弹应用。8 0 年代中期为短程战术导弹研 制的t 1 6 型，外形为球形，直径7 6 2 c a n 。作为国内激光陀螺领域最具实力的研究 机构，本单位已研制出空间三轴激光陀螺工程化样机目前正处于实验调试阶段。 随着微电子技术的不断发展，集成化电路芯片集成度越来越高现在多采用 微处理器和可编程逻辑器件搭建陀螺的信号处理电路，陀螺信号处理电路朝着小 型化、集成化、自动化的方向不断发展。 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 3 课题研究的意义 三轴激光陀螺是实验室目前重要的在研项目，与单轴激光陀螺相比有许多新 的特点。三轴激光陀螺包含三个轴的敏感信息，需要监测的模拟量多，这样测试 过程中传送的信息量就相对较大。目前，实验室采用三套单轴激光陀螺测试系统 c 4 h 对三轴激光陀螺进行常规测试，存在着系统复杂、同步性差等问题。因此， 针对三轴激光陀螺的特殊性，研制一套三轴激光陀螺专用的测试系统是很有必要 的，由一套硬件电路完成陀螺输出信号的处理和模拟量的采集，在不影响精度的 前提下，大大简化了测试系统的结构，并且能实现测试结果的同步。 实验室目前采用高速采样滤波的方法处理陀螺输出信号，在测试和实验过程 中，往往保存滤波后的陀螺数据，这样就无法分析陀螺原始输出信号所包含的频 谱等信息。在一些场合，实验室利用串口对实验过程中的某些陀螺原始数据进行 过采样频率为1 0 0 h z 或2 5 k h z 的采集和保存。但三轴激光陀螺抖频达到1 8 k h z ， 要求的采样频率更高，传输的信息量更大，串口显然无法满足要求。设计一套基 于u s b 2 0 接口的三轴激光陀螺输出信号高速采集存储系统，可以对实验过程中陀 螺的输出信号进行2 5 k h z 的高速采集存储，满足后续数据分析的需要，并且采集 的数据可以准确反映陀螺频谱信息。 1 4 本课题主要任务 本课题从软硬件两方面进行设计，构建三轴激光陀螺信号处理系统，以满足 实验室需要。课题的性质决定了研究任务涉及面比较广，从软件到硬件，从嵌入 式系统到上位机应用程序开发，都有所涉及，系统结构如图1 3 所示。 上位机 u s b 传输控制软件 三轴激光陀螺测试 软件 图1 3 系统整体结构图 总体而言本课题的任务主要包括以下几个方面： 第4 页 一 三轴激光陀螺三轴信号 一 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 一、由f p g a 芯片、u s b 接口扩展芯片以及s d r a m 缓存芯片等搭建基于 u s b 2 0 接口的陀螺输出信号高速采集电路，将高速采集的陀螺三个轴的脉冲计数 差值增量通过工作在s l a v e f i f o 模式的接口芯片实时上传； 二、应用v c 抖编写用于u s b 传输的上位机应用软件，通过调用各种w i n a p i 函数检测u s b 接口扩展芯片功能，控制系统开始采集与停止采集，将接收到的数 据包实时存储到硬盘指定位置的文件中； 三、设计由f p g a 、单片机和d s p 组成的三轴激光陀螺测试硬件电路。f p g a 完成三个轴和频、差频、抖频、零漂等的解算并协调通信，单片机采集直流光强 电压，p z t 稳频电压和测温电桥压差。所有测试量通过r s 2 3 2 串口统一发送到上 位机。高性能浮点d s p 为后续功能扩展留下充足的硬件资源； 四、利用l a b v i e w 开发一套专门用于三轴激光陀螺的测试软件，负责接收和 处理硬件部分发送过来的数据，并能显示和存储各测试量，完成类似c 4 h 系统上 位机软件的功能； 五、对三轴激光陀螺信号处理系统进行功能验证、实验分析，确保整套系统 的可靠性。将整套系统运用于三轴激光陀螺，完成陀螺的常规测试，并高速采集 存储不同条件下的陀螺输出信号。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章三轴激光陀螺测试系统的设计 本章介绍了三轴激光陀螺对测试系统的要求，并详细讨论了陀螺输出信号处 理算法及流程。三轴激光陀螺测试系统硬件部分完成了陀螺输出信号的鉴相计数、 低通滤波、各测试参量的解算以及光强电压、测温电桥压差、p z t 稳频电压的采 集转换。其中模拟量采集由单片机完成，而解算、通信等所有处理任务全部由f p g a 内部的硬件模块和n i o s l i 软核处理器完成，硬件部分与l a b v i e w 编写的上位机软 件相配合完成陀螺的常规测试。 2 1 三轴激光陀螺测试系统的要求 激光陀螺由于背向散射等原因，存在闭锁效应n 一1 。闭锁将导致低于闭锁阈值 的转速信息丢失以及锁区附近比例因子非线性，这限制了激光陀螺的应用范围， 是陀螺研制过程中必须首先解决的问题。机械抖动偏频激光陀螺是最早进入实用、 也是目前使用最为广泛的激光陀螺。它利用交变的机械抖动使陀螺大部分时间从 锁区偏置出来，从而减小闭锁误差。加入正负交变偏频后，陀螺大部分时间工作 于锁区之外，这样即使输入角速率很小，由于陀螺在锁区内的时间很短，由此带 来的误差也比较小。 如1 1 节所述，激光陀螺原理公式是： 肛5 t 觚加籍一瓦4 a 9 ( 2 - 1 ) 其中，p ： q 以是f 时间内环形腔相对于惯性空间的总转角，而后：i 4 a 为激 乞 l l 光陀螺的比例因子。 理想情况下，对于机抖陀螺，转动角速度q 是由外界输入角速度q 虹与正弦抖 动组成，因此它可以表示为： q = q 抽+ t l ds i n ( w j ) ( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) 可得激光陀螺读出脉冲数表达式为： = j i (= c ( q 协+ qs i n ( w e t ) ) n d a tk s i n ( w a t ) ) d t( 2 3 ) = 川= i ( q 。+ q 。( 2 3 ) j 0j o 。 由( 2 3 ) 式可得在采样周期内的读出脉冲数增量表达式： 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 p t + a t a n = k i ( + s i n ( c o d t ) ) d t = 七n 抄鲁嘶) l ， ( 2 4 ) 砒+ 等s 证( 竽) s i l l ( r + 等) 由式( 2 4 ) 可以看出，陀螺的输出信号不仅包含了外界输入角信息，还包含 了抖动信号对应的角信息，因此在实际应用中必须对陀螺输出信号进行解调处理 消除抖动的影响。 目前机械抖动激光陀螺输出信号的解调方法主要有两种：一种是整周期计数 法玛1 ，另一种是高速采样滤波法n 们。由于整周期计数法存在着不能有效消除随机抖 动信号以及其他因素引起的噪声等方面的不足，本系统根据陀螺有用信号与抖动 频率之间的频率间隔，选用高速采样低通滤波的方法对陀螺输出信号进行解调。 三轴激光陀螺包含了三个方向的敏感信息，抖动频率达到了1 8 k h z ，结合单 轴激光陀螺测试系统的设计思路，三轴激光陀螺测试系统应满足以下要求： l 、根据采样定理的要求，采样频率应为信号最高频率的2 倍以上，在实际工 程中一般取3 1 0 倍。故系统对三轴激光陀螺各轴输出信号进行高速采集的频率要 高于对5 0 型、9 0 型单轴激光陀螺信号采集的频率。本系统选择1 6 k h z 的采样频 率，以满足解调三轴激光陀螺输出信号的要求； 2 、三轴激光陀螺各轴的直流光强电压、p z t 稳频电压及不同部位的温度均需 实时监测，这样系统需要采集、转换多路模拟量； 3 、系统要得到陀螺三个轴的零偏、和频、差频、抖频等测试量，相对单轴激 光陀螺测试系统而言运算量大，传送的信息多。系统设计时，要选用功能强大的 集成芯片，合理选择算法和分配硬件资源。 2 2 三轴激光陀螺输出信号处理部分的硬件设计 2 2 1 处理芯片的选择 为了满足人们日益增长的对专用集成电路的需求以及缩短开发周期的要求， 通用可编程器件逐渐地在电子设计领域发展起来，并正成为广大硬件工程师所必 需的设计器件。通用可编程逻辑器件，通常也称为p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e ) 。在目前电子设计领域，比较流行的可编程逻辑器件包括c p l d ( 复杂可 编程逻辑器件) 和f p g a ( 现场可编程门阵列) 。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a l t c r a 公司作为世界上最大的可编程逻辑器件供应商之一，不断地引领世界上 可编程逻辑器件的发展方向。其主要产品从早期的m a x 系列、f l e x 系列、a c e x 系列到现在流行的m a x i i 系列、c y c l o n e 系列、c y c l o n e i i 系列、c y c l o n e i i i 系列、 s t r a t i x 系列及s t r a t i x l l 系列等都不乏经典之作。作为a l t c r a 公司新一代开发软件的 q u a r t u si i ，更是具备了强大的功能，使用户能够非常方便地开发可编程硬件系统。 本课题采用了a l t c r a 公司的芯片e p 3 c 2 5 q 2 4 0 c s n ，它属于c y c l o n e i i i 系歹l j 1 ， 内部资源主要有： ( 1 ) 多达两万五千个逻辑处理单元( l e ) ； ( 2 ) 总共5 9 4 k b i t 的片内r a m 存储空间； ( 3 ) 6 6 个1 8 1 8 硬件乘法器； ( 4 ) 4 个全局时钟锁相环； ( 5 ) 2 4 0 引脚p q f p 封装，多达1 4 8 个通用i o 引脚。 2 2 - 2 三轴激光陀螺输出信号处理部分的结构 图2 1三轴激光陀螺输出信号处理硬件框图 三轴激光陀螺输出信号处理硬件部分的基本结构如图2 1 所示，设计硬件模块 完成陀螺信号的数字延迟滤波、鉴相和抖动、时钟脉冲、和频与差频计数锁存等 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 功能，并提供采样周期的脉冲计数差值净增量作为后续f i r 低通滤波的原始数据。 三轴激光陀螺三个轴的输出信号均是两列相位差约为万2 的方波信号，因此 对陀螺三个轴信号的处理方式是一致的，图2 1 中仅详细画出了硬件模块对x 轴 信号的处理过程。软核处理器完成和频、差频、抖频的解算，并以1 6 k h z 的采样 频率对各轴脉冲计数差值净增量进行高速采集，经过低通滤波得到零偏。软核处 理器部分的内容，将在后面章节进行详细介绍。 一、时钟布局 e p 3 c 2 5 q 2 4 0 c 8 n 提供了4 个p l l ，每个锁相环可提供c 0 、c 1 、c 2 、c 3 和“ 五路时钟，锁相环能够为系统提供可靠的工作时钟，使系统的运行更加稳定n 羽。 系统的输入时钟由5 0 m h z 的有源晶振提供，经过集成在软核内的锁相环二倍 频处理产生1 0 0 m h z 的时钟供处理器使用。1 0 0 m h z 的时钟经过硬件分频器产生 1 0 m h z 的时钟供处理器以外的电路使用，之所以采用1 0 m h z ，一方面是因为外部 硬件工作模块不需要很高频率的时钟，另一方面是为了提高系统的稳定性，杜绝 高频时钟下毛刺的产生。 二、数字延迟滤波网络 经过前置放大的两路输出信号，要经过比较器产生方波，叠加在信号上的噪 声会在比较点附近产生许多噪声脉冲，因此在实际应用中多采用滞回比较器或施 密特触发器将幅度小于门限值的高频噪声抑制。但是陀螺的输出信噪比是比较低 的，尤其是陀螺过锁区的时候，相位变化比较缓慢，输出有时在某个电平附近摆 动很长时间，极易受干扰，这种情况下即使采用滞回比较器效果也很难令人满意， 具有毛刺干扰的信号如图2 2 所示。分析这些信号的特征可以看到，这些干扰信号 是一些极窄的脉冲信号，可采用数字延迟滤波器抑制这种信号。滤波器的结构如 图2 3 所示。在第n 个时钟上升沿时刻j k 触发器的输入为j = q q 一。q 一：， k = q q 一。q 一：当q 、q 一。、q 一：不为同一电平时，j = k = 0 ，滤波器的输出不变， 其输入只有在三个连续的时钟周期上升沿为同一电平时，q 、q - 、q 一：才有可 能为同一电平，窄于三个时钟周期的噪声脉冲都被抑制h 3 1 。 门一卜。一一j l 删帅。一| r 叫 图2 2 带干扰的实际输出信号 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 午午岛早黼 n 葑 lj 叫弋 纠 书1 甜 1 l ， i n q t l 女i ” b a n d 3 i 抽判 驴 j n e t l 7 图2 3 数字延迟滤波器 三、鉴相 激光陀螺采用边沿触发逻辑电路对信号延时来实现鉴相，并在进行判向的同 时使整形后的方波信号a 和b 实现四倍频呻j 劓。图2 4 是鉴相电路的原理框图。图 中，a 、b 两路方波信号分别经过d 触发器延时一个时钟周期得到a l 、b l ；再分 别经过一个d 触发器延时得到a 2 、b 2 ，将这些信号按图中的逻辑关系进行运算， 得到脉冲信号c w ，c c w 。 a 工 b a i b l 勉 耽 c i = a 1 0 船 忽啦0 8 1 c i q 口 0 四 图2 4 鉴相电路原理图 砌哪舢叭肌唧唧伽咖叭肌咖哪唧咖唧咖舢盯 图2 5 鉴相电路时序图 图2 5 是鉴相电路的时序图，从图中可以看出，当激光陀螺向某一方向( 如顺 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 时针方向) 转动时，a 路信号就超前b 路信号x 2 相位，结果只有c w 脉冲信号 输出，当陀螺向逆时针方向转动的时候，b 路超前a 路刀2 相位，结果只有c c w 脉冲信号输出。这样就实现了对激光陀螺转动方向的判断，同时还可以看到输出 脉冲数变为了输入脉冲数的四倍，实现了四倍频。 四、方向信号产生 方向信号体现了陀螺转动的方向，实际上就是两列方波信号a 和b 的超前滞 后关系，a 超前b 时方向信号为1 ，反之为o ，如图2 6 所示。 图2 6 方波与方向信号关系图 在陀螺测试时，方向信号的跳变反映的就是陀螺偏频机构抖动方向的变化， 对其进行计数，即是对抖动次数计数。在本系统中，两列正交方波在f p g a 中经 过相应的逻辑运算产生方向信号。 五、计数锁存 如前所述，激光陀螺鉴相时实现了转动方向的判定，并且将方波信号四倍频， 图2 5 中c w 、c c w 信号分别代表了激光陀螺正逆转动产生的经四倍频处理后的 脉冲信号。对c w 、c c w 脉冲分别计数，将两计数值相加，即得到陀螺的和频计 数；反之，将两计数值相减，即得到陀螺的差频计数。其中，激光陀螺差频计数 在采样周期的净增加值即为后面介绍的数字低通滤波的原始数据。 对方向信号变化的上升沿进行计数，可以得到抖动次数的计数值。在方向变 化的上升沿对和频、差频以及时间脉冲计数值进行锁存，可以使和频差频计数以 及时间脉冲计数与抖动计数同步。软核处理器产生锁存信号，将陀螺抖动信号计 数值、和频、差频计数值以及时钟脉冲计数值锁存，这些计数值都是在相同时间 内采集的并且完全同步，由软核处理器读取，进行处理，可以得出陀螺的和频、 差频、抖频等测试量，这些内容在后面的章节进行详细介绍。 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 3n i o s i i 软核处理器及内部程序设计 2 3 1 $ 0 p c 技术与nl o si i 嵌入式软核处理器 广义上讲，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为“嵌入式系统 ， 其核心是嵌入式处理器。目前，嵌入式系统朝着小体积、低功耗、高性能的趋势 发展，各大公司提出了各种“嵌入式系统”解决方案。s o p c ( s y s t e mo na p r o g r a m m a b l ec h i p ) 技术是美国a l t e r a 公司于2 0 0 0 年最早提出的，即用大规模可 编程逻辑器件f p g a 实现s o c ( s y s t e mo i lac h i p ，片上系统) 的功能。 像单片机、d s p 、通用处理器等这些处理器，它们的内部结构是固定的，一般 称它们为“硬核”。伴随着可编程逻辑器件的发展，出现了“软核的概念。“软 核 采用s o p c 技术，它的内部结构不是固定的，用户可根据设计要求，利用 q u a r t u s i i 和s o p cb u i l d e r ，对c p u 软核及其外围系统进行构建，使嵌入式系统在 硬件结构、功能特点、资源占用等方面全面满足用户系统设计的要求。a l t e r a f p g a 嵌入式n i o s i i 软核处理器是指，在一个f p g a 芯片内，包含的一个或多个可配置 n i o s i ic p u 软核、与c p u 相连接的片内外设和存储器以及与片外存储器和外设相 连的接口等n 舶。所有n i o s i i 处理器系统使用统一的指令集和编辑模式。一个典型 的n i o s i i 软核处理器系统如图2 7 所示。 图2 7n i o s i i 软核处理器系统 和“硬核 相比，“软核 具有独特的优势。“硬核 的开发周期较长，设 计者无法根据实际需要改变处理器的结构，如总线规模、接口方式乃至指令形式。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 而“软核”的设计开发相对灵活，可以随时随地更改。基于s o p c 的设计在很大 程度上依赖于i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核，可以说“软核就是i p 核和总线结构 的组合n 创。i p 是指经过预先设计和验证，符合产业界普遍认同的设计规范和设计 标准，并具有相对独立性并可以重复利用的电路模块或子系统。 本文采用a l t e r a 公司的f p g a 芯片e p 3 c 2 5 0 2 4 0 c 8 n ，鉴于软核处理器结 构配置灵活，便于实现运算等方面的特点，在q u a r t u s i i 中定制n i o s i i 软核处 理器，嵌入到f p g a 中，组成嵌入式系统。 2 3 2 软核处理器的架构 n i o s i i 软核处理器结构包括寄存器组、算术逻辑单元、定制指令逻辑接口、异 常控制器、中断控制器、指令总线、数据总线、指令和数据缓冲存储器、指令和 数据紧耦合存储器接口、j t a g 调试模块，其中某个功能模块可用硬件实现，软件 模拟实现或完全被省略n 。 根据三轴陀螺测试系统的设计需要，软核处理器需要完成的主要任务有：低通 滤波、计算抖频、和频与差频，接收单片机通过串口发送的a d 转换值，每秒通 过r s 2 3 2 串口向上位机发送一次测试数据。根据这些要求，由s o p cb u i l d e r 定制 处理器模块硬件架构。 总线是处理器的重要组成部分，总线结构直接决定了c p u 的程序运行和数据 访问方式，n i o s i i 处理器采用a v a l o n 总线。a v a l o n 总线是一种结构简单、功能强 大的总线结构，描述了主从构件间的端口连接关系，以及构件间通信的时序关系n 刀 主要用于连接片内处理器和外设，以构成可编程片上系统( s o p c ) 。a v a l o n 总线 基于交叉开关( s w i t c h f a b r i c ) ，可以同时存在多个主端口对从端口的访问。n i o s i i 处理器配置灵活，外设和存储器可以以任意的地址映射挂接在a v m o n 总线。 一、c p u 的定制 c p u 为n o i s i i 处理器必不可少的模块，内核为通用3 2 位r i s c 处理器，它有 三种类型，用来满足不同设计的要求，分别是快速型、经济型和标准型