《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于FPGA的激光陀螺信號高速精確解調(diào)系統(tǒng)
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第3期
唐 博，李錦明，李士照
中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國防科技重點實驗室，山西 太原030051
摘要： 利用FPGA的高度并行性和對時延的準(zhǔn)確控制,設(shè)計對激光陀螺信號的高速、精確解調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以XILINX FPGA為硬件核心，通過巧妙的時鐘設(shè)計和高速高階濾波設(shè)計，很好地實現(xiàn)了對陀螺信號精確鑒相、計數(shù)和高速濾波，并協(xié)調(diào)DSP的后續(xù)處理和上位機通信。通過對國產(chǎn)某激光陀螺進行測試發(fā)現(xiàn)，本系統(tǒng)解調(diào)后得到的陀螺角速度10S、100S的方差都明顯優(yōu)于現(xiàn)有系統(tǒng)的測試結(jié)果,系統(tǒng)響應(yīng)時間也得到極大提高。
中圖分類號： TP212
文獻標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)03-0074-03
Laser gyroscope signal demodulate system based on FPGA
Tang Bo, Li Jinming, Li Shizhao
National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China
Abstract： Taking advantage of the high paralleling and dedicate controlling of the time of FPGA，we designed a high speed and high accuracy system to demodulate gyro signal. This system use the FPGA of XILINX company as the core hardware, through the subtly program design, we completely realized the high accurate phase demodulation、counting and high speed filtering of the gyro signal, meanwhile the system controls lateral DSP to compute and communicate with PC. After testing experiment on the domestic laser gyro using our system, the result shows that this system has a much better performance of 10 S and 100 S on gyro rotational speed variance.
Key words : laser gyro; FPGA digital signal process; phase-demodulation; FPGA clock design

    激光陀螺由于具有精度高、動態(tài)響應(yīng)快、壽命長、穩(wěn)定性好等優(yōu)點廣泛運用于各類戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、軍用飛機、航天航海等領(lǐng)域[1]。

    激光陀螺信號解調(diào)常用的實現(xiàn)方法是用DSP實現(xiàn)。由于解調(diào)過程中一般需要高階濾波，雖然DSP運算速度特別快，但是由于濾波是多個串行乘法和加法的組合，當(dāng)濾波階數(shù)較高時，濾波周期很大。由此造成了基于DSP的激光陀螺解調(diào)系統(tǒng)速度慢的問題。如果還需要后續(xù)的導(dǎo)航算法，系統(tǒng)也只能采用多個DSP芯片分工的辦法來提高系統(tǒng)的工作速度。但這樣做也無法克服濾波器濾波周期大的缺點，同時也增加了系統(tǒng)成本和功耗。因此急需一種高速低功耗同時具備高精度的激光陀螺信號解調(diào)系統(tǒng)來替代現(xiàn)有系統(tǒng)。
   基于FPGA的激光陀螺信號解調(diào)系統(tǒng)將用于陀螺信號解調(diào)的所有模塊都集成到FPGA中。由于FPGA的高速并行性和極大的靈活性，解調(diào)過程中的各模塊間以及模塊內(nèi)部實現(xiàn)了真正的并行性，極大地提高了解調(diào)的速度。FPGA程序設(shè)計中巧妙的時鐘邏輯設(shè)計，實現(xiàn)了解調(diào)過程中的零丟數(shù)。另外FPGA只有在上電配置的過程中有較大電流，而在工作過程中工作電流比DSP小很多，從而此解調(diào)系統(tǒng)具有低功耗的優(yōu)點。因此基于FPGA的激光陀螺信號解調(diào)系統(tǒng)將是陀螺解調(diào)領(lǐng)域理想的實現(xiàn)方案，而DSP只是配套用來做后續(xù)的算法實現(xiàn)。
1 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)設(shè)計
    圖1是本系統(tǒng)的FPGA程序框圖。圖中FA、FB是陀螺輸出的正余弦信號經(jīng)過整形后得到的方波信號，兩路信號進入FPGA后首先進入鑒相模塊，鑒相后得到的兩路數(shù)據(jù)進入計數(shù)模塊后進行可逆計數(shù)?？赡嬗嫈?shù)得到的計數(shù)值每隔一段時間再送到濾波器中進行高階濾波，濾波后的結(jié)果對應(yīng)濾波采樣時間內(nèi)的陀螺凈轉(zhuǎn)動角度[2]。同時FPGA具有脈沖計數(shù)、機抖周期計算及控制AD讀取系統(tǒng)工作參數(shù)的功能。FPGA最終將得到的各路數(shù)據(jù)編幀發(fā)送到上位機顯示。如果需要對陀螺解調(diào)后的信號進行導(dǎo)航計算，則FPGA將解調(diào)后的角速度值發(fā)送到DSP進行后續(xù)處理。

     由于本系統(tǒng)設(shè)計的濾波器需要占用大量FPGA資源，因此選用XILINX 公司的 SPARTAN 3E系列的FPGA芯片 XC3S300E,在ISE9.1以后的系統(tǒng)中對于這款芯片具有自帶的FIR濾波器IP核，能減小濾波器設(shè)計的工作量。

 


2 系統(tǒng)關(guān)鍵程序設(shè)計及分析
2.1 系統(tǒng)時鐘設(shè)計
     激光陀螺解調(diào)需要準(zhǔn)確讀入兩路脈沖數(shù)，要求不能存在誤計數(shù)的情況。因此需要完善的系統(tǒng)時鐘協(xié)調(diào)各模塊來準(zhǔn)確無誤地對輸入數(shù)據(jù)進行處理。可靈活設(shè)計的時鐘系統(tǒng)和對時序的精確控制是FPGA在陀螺解調(diào)中的優(yōu)勢之一。
    鑒相需要將輸入的兩路方波信號和主時鐘同步，陀螺輸入兩路方波由于機抖的原因,方波的頻率隨時間成正弦變化[3]。經(jīng)測量，頻率最大處為2 MHz左右。因此鑒相電路需要引入的主時鐘必須為8 MHz以上,采用15 MHz的主時鐘將兩路信號同步。同步后的方波頻率正好是輸入的4倍頻,如圖2所示。

    從圖2可以看出，當(dāng)SIN超前時，CW有輸出。當(dāng)COS超前時，CCW有輸出。輸出信號分別為兩路信號的上升和下降沿被同步后的輸出，脈沖寬度正好為一個時鐘周期[4]。由于鑒相后兩路信號輸出的交替性，其交替周期便是機抖周期,因此可以據(jù)此來計算陀螺機抖頻率。
2.2 計數(shù)器設(shè)計
    CW和CCW信號已經(jīng)與主時鐘上升沿同步，脈沖寬度正好是一個主時鐘周期。因此當(dāng)主時鐘下降沿到來時，CW、CCW一定沒有跳變。據(jù)此特性可以利用系統(tǒng)主時鐘的下降沿來作為計數(shù)器的工作時鐘，主時鐘下降沿到來時檢測到CW、CCW為高電平時，各自的計數(shù)器加1。計數(shù)值采樣時鐘為主時鐘的分頻，和主時鐘的上升沿同步，因此當(dāng)采樣時鐘上升沿到來時,可以保證CW、CCW沒有跳變。這種設(shè)計方案使得計數(shù)器在計數(shù)和取數(shù)的過程中都不會發(fā)生多一個脈沖或少一個脈沖的現(xiàn)象。圖3是以10 kHz的采樣頻率得到的陀螺脈沖計數(shù)的波形圖。

    由于陀螺的自轉(zhuǎn)角速度相對機抖轉(zhuǎn)動小很多,1 s的時間內(nèi)也只累加幾個脈沖，因此圖中不能明顯觀察出此轉(zhuǎn)速的直流偏置量。由于合理的時鐘設(shè)計，系統(tǒng)采樣時鐘到來后便對計數(shù)器清零，清零的過程中也可以保證不丟脈沖數(shù)。采樣清零的方法使得計數(shù)器寬度可以較小，且不會有計數(shù)器溢出的危險。
2.3 濾波器設(shè)計
　　濾波器定時采樣計數(shù)器計數(shù)值的采樣頻率可以通過外部撥碼開關(guān)選擇5 kHz、10 kHz、20 kHz、50 kHz等4個擋。要想設(shè)計一個截止頻率為100 Hz，把計數(shù)脈沖高頻段(200 Hz~400 Hz機抖頻率)衰減-80 dB以上的FIR濾波器，經(jīng)過分析濾波器階數(shù)至少需要200階才能滿足要求[5]。通過實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用DSP做一個16 bit的200階FIR低通濾波時，用業(yè)界最快的浮點DSP TMS320C6713濾波器的采樣頻率最高也只有10 kHz左右，如果再加上其他算法，系統(tǒng)工作的速度會更慢。由于FPGA的高速并行性，使用分布式算法設(shè)計高階濾波器，完成一次濾波只需要簡單的幾次查表運算，因此濾波周期也就是幾次查表運算的時間之和，并且對于階數(shù)增加，查表時間并沒有明顯變長，實驗發(fā)現(xiàn)200階濾波器的采樣頻率理論上可以到達1 MHz以上[6]。此外FIR濾波器的系數(shù)可以由Matlab fdatool工具生成[7]。由于FPGA不能直接進行浮點運算，因此需要將浮點數(shù)整型化，因此整型化的好壞直接影響濾波精度。通過實驗，在保證系統(tǒng)較低資源利用率的情況下，原始數(shù)據(jù)需要擴大224倍。Matlab中整型化和系數(shù)存儲程序如下：
    COE=Num*4194304;
    INDA=round(COE);
    fid=fopen('fir200.txt','wt');
    fprintf(fid,'%d\n',COE);
    fclose(fid);
   設(shè)計完成的濾波器對計數(shù)信號進行濾波，濾波結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C進行繪圖，波形如圖4所示。

    從圖中可以看出，濾波結(jié)果波動范圍正好為式(2)的計算值。其均值便對應(yīng)1 s內(nèi)一定轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的陀螺輸出值。
3 系統(tǒng)實驗結(jié)果
　 利用本系統(tǒng)和原有系統(tǒng)對國產(chǎn)某型號陀螺進行多次測試并將測試結(jié)果進行對比分析。在本系統(tǒng)以10 kHz采樣頻率濾波，原有系統(tǒng)以5 kHz采樣頻率濾波的測試條件下發(fā)現(xiàn),本系統(tǒng)的測試結(jié)果明顯優(yōu)于原有系統(tǒng)，在提高采樣頻率的情況下反而有更大的解調(diào)精度。圖6是本系統(tǒng)的測試結(jié)果，圖7是原有系統(tǒng)的測試結(jié)果。

    從以上測試結(jié)果中可以看出，本解調(diào)系統(tǒng)在提高系統(tǒng)響應(yīng)速度的前提下，濾波結(jié)果波動性反而更小，能夠解調(diào)出更微弱的陀螺感知的外界角速度。
    本文簡介了基于FPGA的激光陀螺信號解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計方法，并著重介紹了FPGA算法和陀螺解調(diào)的理論基礎(chǔ)。
　 由于FPGA解調(diào)系統(tǒng)較現(xiàn)有DSP解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)速度更快，解調(diào)精度更高，加之FPGA本身穩(wěn)定性和抗干擾能力等都優(yōu)于DSP，因此基于FPGA的陀螺信號解調(diào)系統(tǒng)將在彈道導(dǎo)彈、航天航空等領(lǐng)域具有更大的優(yōu)勢。
參考文獻
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