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1、第2期(總第132期)機(jī)械管理開(kāi)發(fā)2013年4月No．2(SUMNo．132)MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENTApr．2013捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)劉濤，王洋。(1．中國(guó)海洋大學(xué)；2．山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所；3．賽輪股份有限公司，山東青島266001)摘要：介紹了利用FPGA實(shí)現(xiàn)激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)。采集電路是激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中非常重要的組成部分，在深入分析激光陀螺和加速度計(jì)的輸出信號(hào)的基礎(chǔ)上，完成了基于FPGA的數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)，使用I
2、P核來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波模塊，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，該采集卡計(jì)數(shù)實(shí)時(shí)而準(zhǔn)確，濾波效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求，采用FP—GA大大簡(jiǎn)化了裝置，提高了系統(tǒng)的簡(jiǎn)易性和配置的靈活性。關(guān)鍵詞：FPGA；激光陀螺；數(shù)據(jù)采集；IP核中圖分類號(hào)：TP392文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼；A文章編號(hào)：1003—773X(2013)02—0108—020引言存儲(chǔ)下來(lái)的整形前后的信號(hào)圖。激光陀螺數(shù)據(jù)采集激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)慣導(dǎo)的狀就是采用恰當(dāng)?shù)姆椒?，?duì)兩路方波信號(hào)進(jìn)行判向和計(jì)態(tài)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性要求比較高。FPGA數(shù)，從而解調(diào)出待測(cè)轉(zhuǎn)速其轉(zhuǎn)動(dòng)方向。具有I／0端口資源豐富、信號(hào)傳輸延遲小、
3、功能強(qiáng)大等2數(shù)字濾波模塊設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)，另外還具有電平轉(zhuǎn)換功能，如將5V的I／0電壓在二頻機(jī)抖動(dòng)激光陀螺輸出的計(jì)數(shù)信號(hào)中，包含轉(zhuǎn)化為3-3V電平的功能，而且在畫多層PCB板時(shí)可以了抖動(dòng)分量和待測(cè)的慣性輸入角速率分量。I42激光方便走線。鑒于FPGA的一系列優(yōu)點(diǎn)，選擇FPGA作為陀螺的機(jī)械抖動(dòng)頻率處于300—400Hz左右，慣性輸人數(shù)據(jù)采集電路的主芯片，同時(shí)它還可以完成一系列的角速率的帶寬一般在100Hz以下，兩者處于不同的譯碼功能。頻帶內(nèi)，可以通過(guò)數(shù)字低通濾波器將抖動(dòng)信號(hào)去除。1激光陀螺數(shù)據(jù)采集電路激光陀螺輸出的數(shù)字濾波方法建立在數(shù)字信號(hào)處1．1二
4、頻機(jī)抖激光陀螺輸出信號(hào)的分析理的基礎(chǔ)上，其流程，如圖2所示，先對(duì)陀螺輸出脈沖激光陀螺對(duì)慣性轉(zhuǎn)動(dòng)的敏感信息，包含于環(huán)形激進(jìn)行可逆計(jì)數(shù)，然后對(duì)計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行高速的采樣和數(shù)光器內(nèi)沿相反方向運(yùn)行的行波模對(duì)的頻差之中。通過(guò)字濾波，得到測(cè)量結(jié)果。光學(xué)的方法，可以獲得兩列頻率差，相位差為'rr／2的正弦(或余弦)電信號(hào)口。這兩列電信號(hào)包含了輸入到激光陀螺中的全部轉(zhuǎn)動(dòng)信息。其中，頻差包含了待測(cè)轉(zhuǎn)速和偏頻轉(zhuǎn)速引起的頻差以及零位漂移；相位差則包圖2數(shù)字濾波流程示意圖含了陀螺所感測(cè)到的總轉(zhuǎn)動(dòng)速度的方向。激光陀螺輸2．1可逆計(jì)數(shù)模塊出的兩列電信號(hào)通過(guò)低噪聲放大器放大，
5、并進(jìn)行過(guò)零本模塊的主要任務(wù)就是對(duì)相應(yīng)的兩路陀螺輸出信比較，整形成為兩路方波信號(hào)，送至數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行號(hào)進(jìn)行可逆計(jì)數(shù)，本模塊包括兩大部分，即定時(shí)計(jì)數(shù)器處理。和減法器。首先，定時(shí)計(jì)數(shù)器，由于本采集程序涉及到1．2陀螺信號(hào)采集的硬件設(shè)計(jì)不止一個(gè)時(shí)鐘，包括采樣頻率的1kHz時(shí)鐘，還有導(dǎo)I42捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的輸出信號(hào)共有l(wèi)2路，分別是6航解算要求的77Hz，本采集系統(tǒng)的外加時(shí)鐘頻率是路陀螺信號(hào)，6路加速度計(jì)信號(hào)。、Y、z三個(gè)陀螺和50MHz。在數(shù)字電路中，常常是通過(guò)對(duì)高頻的時(shí)鐘信加速度計(jì)各對(duì)應(yīng)兩路信號(hào)，且本系統(tǒng)的每個(gè)慣性器件號(hào)進(jìn)行分頻來(lái)獲得低頻的信號(hào)，用
6、做需要低頻時(shí)鐘的的兩路信號(hào)已與25針的并口一一對(duì)應(yīng)。激光陀螺和模塊，但這種方法會(huì)引人新的時(shí)鐘域，處理上需要采取加速度計(jì)輸出的信號(hào)都是多時(shí)鐘域處理方式，因而在設(shè)計(jì)復(fù)雜度提高的同時(shí)系數(shù)字脈沖量，但是他們輸統(tǒng)的可靠性也將降低，為了避免上述問(wèn)題，本文中采用出信號(hào)有毛刺，上下沿不了時(shí)鐘使能以減小設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。夠陡峭，所以采用施密特在可逆計(jì)數(shù)模塊中，時(shí)鐘頻率設(shè)定為lkHz，先設(shè)觸發(fā)器對(duì)其進(jìn)行整形處計(jì)一個(gè)時(shí)鐘使能環(huán)節(jié)，產(chǎn)生一個(gè)1kHz頻率的信號(hào)，然理。圖1即為通過(guò)示波器后具體應(yīng)用此頻率時(shí)鐘時(shí)，只使用其高電平作為50收稿日期：2012一l1—3O作者簡(jiǎn)介：劉
7、濤(1983一)，男，山東青島人，工程師，本科，主要從事產(chǎn)品研發(fā)工作。·108·第2期(總第132J~)劉濤，等：捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)2013年4月MHz全局時(shí)鐘的使因?yàn)檫@個(gè)Cyclone系列中是沒(méi)有M5l2和MRAM存儲(chǔ)能信號(hào)，這樣就既達(dá)單元的，所以我在DataStorage和CoefficientStorage兩到了分頻效果，又避項(xiàng)中選擇Auto項(xiàng)使得所用的FPGA的資源最為合理。免了多時(shí)鐘域的產(chǎn)圖3使能電路的仿真QuartusⅡ的時(shí)序仿真圖，如圖4所示，可以清楚地看生。時(shí)序仿真圖，如圖3。到，在ast_source_val出現(xiàn)高
8、電平之后，ast_sink_ready2．2數(shù)字濾波方法在FPGA中的設(shè)計(jì)才出現(xiàn)濾波后的數(shù)據(jù)，可以看出時(shí)序是正確的。在FPGA中調(diào)用IP核來(lái)構(gòu)造FIR數(shù)字低通濾波3
