光纖陀螺是激光陀螺的一種，是慣性技術(shù)和光電子技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。它利用Sagnac干涉效應(yīng)看剃，用光纖構(gòu)成環(huán)形光路，并檢測出隨光纖環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的兩路超輻射光束之間的相位差鹿腕，由此計(jì)算出光纖環(huán)旋轉(zhuǎn)的角速度秋豌。光纖陀螺儀主要由兩個(gè)部分組成。伺服于表頭的調(diào)制解調(diào)電路根據(jù)輸進(jìn)的電信號(hào)悼锻，經(jīng)過相應(yīng)的變換后形成反饋信號(hào)送至表頭的相位調(diào)制器中劲旗。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，相應(yīng)的調(diào)制解調(diào)電路應(yīng)該根據(jù)溫度透辜、振動(dòng)等情況做出相應(yīng)的改變常孕，才能最大限度地保證陀螺的精度要求。本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的測試系統(tǒng)使萨，模擬光纖陀螺儀的表頭逐会，并檢測調(diào)制解調(diào)電路的性能。

      模擬表頭的基本原理及結(jié)構(gòu)

      表頭的主要功能是將Sagnac效應(yīng)產(chǎn)生的光程差所引起的相位變化通過回路耦合器轉(zhuǎn)換為光功率的變化锰扶，再通過探測器探測后以電信號(hào)的形式輸出至調(diào)制解調(diào)電路中献酗。數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。從調(diào)制解調(diào)電路中采樣來的原始參數(shù)值坷牛，經(jīng)過模擬表頭內(nèi)數(shù)字信號(hào)處理罕偎，可將輸進(jìn)調(diào)制解調(diào)電路的實(shí)際表頭信號(hào)還原出來。得到初始還原值之后漓帅，通過在模擬表頭中進(jìn)行修改锨亏、加載不同類型的參數(shù)值，從而檢測調(diào)制解調(diào)電路中相應(yīng)的性能指標(biāo)忙干。

圖1 數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

      本文所設(shè)計(jì)的模擬表頭系統(tǒng)遵循了一般數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺系統(tǒng)的基本原理器予，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上發(fā)生了變化。調(diào)制解調(diào)電路在本系統(tǒng)中處于被動(dòng)地位捐迫，而表頭作為系統(tǒng)的主體乾翔。同時(shí)，用一個(gè)自主設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)代替了光纖陀螺儀的表頭部分施戴。模擬表頭及其測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示反浓。

圖2 模擬表頭及其測試系統(tǒng)框圖

      圖中，PC上位機(jī)的工作十分重要赞哗，它不僅控制調(diào)制解調(diào)電路和模擬表頭系統(tǒng)的協(xié)同工作峡哥，而且要將所采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理庭走，并完成關(guān)鍵的軟件編寫和植進(jìn)工作。

      模擬表頭系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

      根據(jù)理論分析烙昼，本文設(shè)計(jì)出基于FPGA的模擬表頭硬件系統(tǒng)荸凸，如圖3所示。

圖3 基于FPGA的光纖陀螺模擬表頭硬件連接圖

      在這個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)中泛红，需要采集的主要信號(hào)是調(diào)制解調(diào)電路中的相位反饋信號(hào)一恃。根據(jù)反饋信號(hào)的特點(diǎn)，選用運(yùn)算量不大但處理速度快的FPGA作為信號(hào)處理的主要器件麻镶。在本方案中桨檬，考慮到本錢和實(shí)際運(yùn)算量，選取XC3S100E FPGA芯片端葵。

      本系統(tǒng)采用±5V穩(wěn)壓直流電源供電众凝。經(jīng)過計(jì)算，本系統(tǒng)的功耗在5W以下年粟，故直流電源的輸出電流需達(dá)到1A俭疤。根據(jù)FPGA及其外圍電路的供電要求，需要設(shè)置三個(gè)DC/DC模塊：分別是5V轉(zhuǎn)3.3V缔俄，5V轉(zhuǎn)2.5V和3.3V轉(zhuǎn)1.2V。分別選擇了MAX651器躏、ADP3333和LTC3406用于電壓轉(zhuǎn)換俐载。另外，3.3V電源還用作驅(qū)動(dòng)ADC登失、數(shù)碼管遏佣、運(yùn)算放大器等器件。

      XC3S100E芯片具有較好的性價(jià)比揽浙，它具有2160個(gè)邏輯單元状婶，100000個(gè)系統(tǒng)門資源，最大的I/O口數(shù)目是108馅巷。對(duì)本系統(tǒng)來說膛虫，完全能滿足16位輸進(jìn)/輸出、數(shù)碼管指示燈等顯示模塊钓猬、與上位機(jī)通訊以及其他控制信號(hào)的接口需要稍刀。系統(tǒng)中另外配置了一塊和FPGA相匹配的EPROM-XCF01S，用來提供邏輯芯片在開機(jī)后目標(biāo)程序的加載草悦。

      A/D和D/A轉(zhuǎn)換分別采用AD7671和AD768兩款芯片赔绒。AD7671具有最高可達(dá)1MSPS的采樣速率，逐次逼近型高速高精度蝠兽，并行傳輸?shù)哪?shù)轉(zhuǎn)換器衡孽，并能達(dá)到16bit的分辨率厂跋，而且無失碼，最大積分非線性誤差(INL)僅為±2.5LSB谨寂，能夠很好地滿足本系統(tǒng)要求猫降。AD768是一款具有16位精度，最高可達(dá)40MSPS采樣速率的高速DAC椰墩。它的響應(yīng)時(shí)間非常短夭掸，轉(zhuǎn)換速度快并與高速的ADC有很強(qiáng)的適配能力。

      在提取初始參數(shù)時(shí)喊傻，考慮到陀螺信號(hào)比較弱呢烦，在A/D轉(zhuǎn)換之前的設(shè)計(jì)采用了弱信號(hào)檢測方法，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波褂磕、整形并放大闻蛀，在最大限度保證無失真的條件下將原始信號(hào)提取出來，并轉(zhuǎn)換為ADC可以分辨的信號(hào)輸出您市。

      模擬表頭系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

      根據(jù)閉環(huán)光纖陀螺儀表頭的基本原理觉痛，實(shí)際表頭輸出的信號(hào)為周期恒定的梳狀波。波形中奇偶周期的電壓差值表示表頭光纖環(huán)中兩束光的光程差所對(duì)應(yīng)的電信號(hào)量茵休。調(diào)制解調(diào)電路產(chǎn)生的用于反饋的門路波作為實(shí)際表頭的輸進(jìn)薪棒。因此，模擬表頭軟件要解決的題目有兩個(gè)：一個(gè)是產(chǎn)生一個(gè)象征光程差(根據(jù)光程差就能計(jì)算出角速度ω)的隨機(jī)數(shù)X榕莺，一個(gè)是利用調(diào)制解調(diào)電路送來的門路波進(jìn)行計(jì)算俐芯，提取門路值S及其周期。

      核心算法的軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示钉鸯。

圖4 模擬表頭核心算法的軟件流程圖

      在流程圖中吧史，模塊A用于判定門路值的正負(fù)。根據(jù)實(shí)際解調(diào)電路特性唠雕，反饋信號(hào)是通過對(duì)解調(diào)電路產(chǎn)生的門路值累加贸营，再經(jīng)方波調(diào)制得到的，累加過程中采用了高低復(fù)位操縱岩睁。因此钞脂，在對(duì)門路波采樣值作進(jìn)一步處理前，有必要判定門路值正負(fù)坊蜂。這里通過設(shè)置計(jì)數(shù)器港苗，對(duì)同周期相鄰采樣值進(jìn)行多次作差比較來判定其正負(fù)，避免了高低復(fù)位操縱引起的前后采樣值突變對(duì)判定結(jié)果的影響卢俯。

      模塊B是高低復(fù)位判定和補(bǔ)償模塊陌贪。該模塊通過比較同周期前后采樣值的大小來實(shí)現(xiàn)復(fù)位點(diǎn)判定，然后對(duì)經(jīng)過復(fù)位的采樣值進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償操縱。

      在Xilinx ISE8.2的平臺(tái)上想触，對(duì)Verilog HDL編寫的模擬表頭作了功能仿真粱宝。采用常用的ModelSim SE 6.2對(duì)Testbench模塊進(jìn)行仿真，用以檢測程序設(shè)計(jì)中計(jì)算和邏輯的正確性晾充。仿真模塊設(shè)置主時(shí)鐘MCLK周期為10ns玖膨，高低電平持續(xù)時(shí)間相同。每隔50個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行一次采樣崭湾，累加16個(gè)采樣值求一次門路赛邢。仿真時(shí)間設(shè)置為35000ns，RSTB為主復(fù)位信號(hào)猛蔽，ADBUSY與ADCNVST為ADC控制信號(hào)剥悟，CLOCK為DAC控制信號(hào)。

      本方案對(duì)隨機(jī)數(shù)X和輸進(jìn)INDATA在幾種極限情況下的仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證曼库，用以檢測表頭程序設(shè)計(jì)的正確性区岗。

      結(jié)語

      根據(jù)以上的軟硬件設(shè)計(jì)，可設(shè)計(jì)出能夠模擬光纖陀螺儀表頭行為的模擬表頭系統(tǒng)毁枯。測試時(shí)慈缔，將實(shí)際的光纖陀螺儀表頭和調(diào)制解調(diào)電路與設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)對(duì)接，就能得到所期看的波形和數(shù)據(jù)种玛。將模擬表頭的隨機(jī)輸進(jìn)數(shù)(代表角速度ω)與被檢測的調(diào)制解調(diào)電路輸出作對(duì)比藐鹤，可有效檢驗(yàn)出被測調(diào)制解調(diào)電路的性能。

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