基于FPGA的數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺儀模擬表頭設(shè)計(jì)

　　摘 要：光纖陀螺儀是一種用來(lái)測(cè)量角速度的傳感器。為了檢測(cè)調(diào)制解調(diào)電路是否符合設(shè)計(jì)要求，并提高陀螺的實(shí)際應(yīng)用精度，本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的光纖陀螺儀模擬表頭及其測(cè)試系統(tǒng)，能有效地檢測(cè)調(diào)制解調(diào)電路的性能。

　　關(guān)鍵詞：光纖陀螺;模擬表頭;FPGA;Verilog HDL

　　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)，用光纖構(gòu)成環(huán)形光路，并檢測(cè)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，由此計(jì)算出光纖環(huán)旋轉(zhuǎn)的角速度。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)輸入的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)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。在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，相應(yīng)的調(diào)制解調(diào)電路應(yīng)該根據(jù)溫度、振動(dòng)等情況做出相應(yīng)的改變，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(cè)試系統(tǒng)，模擬光纖陀螺儀的表頭，并檢測(cè)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(guò)回路耦合器轉(zhuǎn)換為光功率的變化，再通過(guò)探測(cè)器探測(cè)后以電信號(hào)的形式輸出至調(diào)制解調(diào)電路中。數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。從調(diào)制解調(diào)電路中采樣來(lái)的原始參數(shù)值，經(jīng)過(guò)模擬表頭內(nèi)數(shù)字信號(hào)處理，可將輸入調(diào)制解調(diào)電路的實(shí)際表頭信號(hào)還原出來(lái)。得到初始還原值之后，通過(guò)在模擬表頭中進(jìn)行修改、加載不同類(lèi)型的參數(shù)值，從而檢測(cè)調(diào)制解調(diào)電路中相應(yīng)的性能指標(biāo)。

　　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，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，而表頭作為系統(tǒng)的主體。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。模擬表頭及其測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　圖2 模擬表頭及其測(cè)試系統(tǒng)框圖

　　圖中，PC上位機(jī)的工作十分重要，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，而且要將所采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，并完成關(guān)鍵的軟件編寫(xiě)和植入工作。

　　模擬表頭系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)理論分析，本文設(shè)計(jì)出基于FPGA的模擬表頭硬件系統(tǒng)，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，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)。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。在本方案中，考慮到成本和實(shí)際運(yùn)算量，選取XC3S100E FPGA芯片。

　　本系統(tǒng)采用