基于DSP和FPGA的光纤陀螺捷联惯导系统的硬件电路研究图.docx
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基于DSP和FPGA的光纤陀螺捷联惯导系统的硬件电路研究图
哈尔滨工程大学
硕士学位论文
基于DSP和FPGA的光纤陀螺捷联惯导系统的硬件电路研究姓名:
毛泽安
申请学位级别:
硕士
专业:
导航、制导与控制
指导教师:
李绪友
20060201
摘要
蓦予光纤陀螺形成靛捷联式愤萑导靛系统,继承了光纤陀螺体积小、动态范围大、可靠性高、易维护、离精度、高速率等特点,这使得捷联惯蹲系绕的优势更加碉驻、突出。
本文主要以实际工程为背景,完成了光纤陀螺捷联惯导系统硬件电路的研究,并谯工程中得到应用。
本文首先介绍了光纤陀螺的发展现状、趋势及应用前景,并且阐述了光终陀螺捷联惯导系统的工作原理。
本文熬点介绍了光纤赡螺数字信号处爨系统硬件电路设计。
硬件电路主要讯括DSP最小系统、高精度加逮度计数字读出电路、温度数撮采集电路、终粼通讯接口电路、弓l导鬏序装载选路、摅联参数读写电路及基于FPGA设计实现的多种接口电路。
赫于FPGA实现的接翻电路圭要袁FPGA与照螺鲍接弱毫路、FPGA与ADSl210的接霜电路、FPGA与AD9220的接口电路、DSP与PC机通讯的接口电路及中断复用电路。
本文最嚣奔绍了疆终电爨貌电磁爨骞特瞧。
不仅会绥了滚磁兼容!
|等篷懿藜本舔理、一些常见的电磁兼容性问题,并提出了提高光纤陀螺数字信号处理系统硬{孛耄鼹夔电磁兼容毽麓懿吴傣措藏。
捷联惯导系统温度补偿电路的设计蜜现,优化了整个惯导系统的动态性熬;蓰联参数读霉电路懿没诗镬褥毙纾院溱赘谲试工{乍受翱方便、抉建;DSP与PC机接口电路设计的改进大大提高了通信速度,便于短时间内大量数据绩患戆逶信交换。
这些方覆静翻新改进後得陀螺瓣数字信号处理系统更潮高效、稳定。
在实际工程诵试中,系统静硬件电路工作稳定,实蕊了捷联惯导系统的功能,基本满足了预期目的,为工程实际应用奠定坚实鲍基础。
关键词:
光纤陀螺;DSp;FPGA;硬件电路设计;电磁兼容
Abstract
Strapdo硎aaInertialNavigationSystemwhichbasedon
theFOG,inheritedtheFOGspecialitywhichissmallsize,largedynamicscope,highreliability,maintaineasily,hi盛accuracy,hi醢speedrateandSOOn。
ThatismakingStrapdownInertialNavigationSystem’Ssuperioritytobemoreobviousandmoreprominent。
ThispapercompletestheresearchofthehardwarecircuitofFOGStrapdownInertialNavigationSystembytheback掣oundofthepracticalengineeringproject,andobtainedtheapplicationintheproject.
Thearticlefirstbriefedthedevelopmentpresentsituation,thetendencyandtheapplicationprospectofFOG.,andelaboratedtheprincipleofStralxtownInertialNavigationSystemjThisarticlel蚵国emphasisintroducedthedigitalsignalprocessingsystemhardwarecircuitdesignofFOG弛ehardwarecircuitmainlyincludestheDSPsmallestsystem,thehignprecisionreadingsystemofacceleratorscircuit,thetemperaturedatacollectioncircuit,exteriorcommunicationinterfacecircuit,theBootLoadercircuit,theStrapdownInertialNavigation
Systemparameterread-州tecircuit,andthe
design
of酞erfacecircuitbasedon
FPGA.弧einterfacecircuitdesignbasedonFPGA.mainlyhastheinterfacedesignofFPGAandtheFOG,FPGAandtheADSl210,FPGAandtheAD9220,communicationofDSPandthecomputer,andthecircuitdesignofvectors
duplicate.ThisarticlefinallyintroducedEMCofthehardwarecircuit。
Notonly
introducedthebasicprincipleofEMC,somequestionsofEMC,andproposedtheconcretemeasureswhichenhancedEMCperformanceofthedigitalsignalprocessingsystemhardwarecircuitofFOG
111etemperaturecompensatecircuitdesignofStrapdownInertialNavigationSystemoptimizeddynamicperformanceoftheentireguidancesystem;theparameterread-writecircuitdesignof
StrapdownInertialNavigationSystem
causestheFOGdebuggingtobemoreconvenientand
quickly;theimprovementoftheinterfaceofDSPandthecomputercommunicationgreatlyenhancedthe
哈尔滨工程太学硕士学位论文
correspondencespeed,andwasadvantageousfor
massivedatacorrespondenceexchangeinthe
short-time.髓e辩aspectsimprovementscallsethedigitalsigr锺processingsystemofFOGtobe
morchighlyeffectiveandstable.
Innleactualprojoctdebugging,thesystemhardwarecircuitwasstable,achievedthefunctionofStrapdown轴e纛i8lNavigationSystem,basicallysatisfiedtheanticipatedaim.andbasedforthepracticalutilizationoftheproject.
Keywords:
fiberopticalgyroscope;DSP;FPGA;designofhardware;electromagnetismcompatible
哈尔滨工程大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明:
本论文的所有工作,是在导师的指导下,由作者本人独立完成的。
有关观点、方法、数据和文献等的引用已在文中指出,并与参考文献相对应。
除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
作者（签字:
型芝耷垒日期:
跏6年五月L日
嗡尔演工程大学硕士学位论文
毒■——■黼葺ii蔫墨ii赫赫置——■—■■蔫i置黉■iii—■■■—暑i苗掣#ii薯——■■■ii宣蒜鲁i置删—■E
I摹薯墨罩黼第1章绪论
光纤陀螺仪是激光陀螺的~种,它采用的是Sagnae干涉原理,以激光作为光源,溺光纤构成环形光路并检测出由正反时针沿光纤传输的两柬光,随光纾繇转动两产生懿两爨激光寨之阕黪耦整豢,赉藏诗舞密旋转懿焘速度。
和激光陀螺不同的是,光缍陀螺是憋200—2000米蛇光绥绕制成蛊径炎lO一60cm的圆形光纤环,从而增长了激光束的检测光路,使检测灵敏度和分辨率比激光陀螺提商了几个数量级。
1.1光纤陀螺的发展及现状
二十多年来,世界各发达国家的科研机构和著名大学都投入了诸多精力来进行光纤陀蠓仪懿研究。
随簧光纤逶镰技术谈及半导体工照静飞速缎震,光纾陀螺鼓经实现了蠼性器馋的突戮性邀晨,从聪确定了其在一菠蛙领域豹娥位。
1978年Davias和Ezekiel论证了提高光纤陀螺灵敏度的技术,提出了闭环零相位光纤陀螺方案,使麓获得了130。
/h的旋转灵敏度。
1980年Ulrich揭示了光绎陀螺可逆往的霪要往。
丽年Cutter.Newton和shaw揭示了相干髋的瑞剃反趣散射是光绎陀螺灵敏度熬主要障碍。
聪套这些早翅静光野院螺,郝采用整体光学部件和光纤相结合的结构。
1980年,Bergh。
Lefever和shaw制造出了第一只全光纤陀螺。
1981年,Davias和Ezekiel研制出了灵敏度为0.10/h豹溺环光纤陀螺,并证绢短时间偏置误差主簧来源于Kerr效应。
1982年Bergh等消除了Kerr效应的影酸磅甓出稼嚣误麓低予0。
04。
/h静竞纤陀螺。
1984年集成光学耦合器、偏振器、相位调锘4嚣等集成光学器件的醭究取得了较大的进展,又出现保偏光纤陀螺。
同年法国的Arditty和Lefever等轿制獭了一种采用数字阶梯电征驱动集成光学稽使调制器构成的数字闭环光终陀螺,冀挺度因数误差,l、于lOOpDm,激怒麓予镞性导航系统。
1985年保编光纤、集成光学调制器、光源（SLD等光器传已经达到了实用程度,必纤院螺开始走向市场a美园麦道公司首先把光纤陀螺用于深井测试系统。
1985年,德国落伦兹标准公司（SEL生产出战术鼯弹级光纤陀螺,标志着光纤陀螺殴从实验除敬离产品除羧过渡。
美国甏防帮在∞年代拐鬻预测,光纤陀螺精发
哈尔滨工程大学硕士学位论文
黼葺省篁攀函高黼黼誓罱皇黼霉高删——I__薯邕黼翠—崔黼蔫置__———_蕾宣崔黼霜黼I黼霉i蕾————_iil在1996年迭到0.010/h,2001年达到0+001。
/h,2006年达到0.0001。
/h,以全面取代税械陀螺纹帮激光阮螺纹,然丽在1996年美国穰懋书尔
（鞋。
neywell公司裁邑经公露了髓度必0。
00038。
/h蛉光缓院螺,Litton公词的产品性能也达到很高的精度,零漂为0.0009。
/h,提前究成预定指标HJ。
下蟊楚发遮莺家篱拜发的一缝数撵;
（tAlliedsignalGuidanceandControl
System碜}铡瓣光绣筵螺实现方案:
仝数字闭环捡测魄路,使用两个探测器,~个用于探测输出信号,妥一个用予清滁光源簪i起静噪声。
光纾长度;3000m王嚣波长;l。
弱p糙黪终疑:
14cm零偏稳定性:
0.0006丫h随机游走:
0.00021ff4h
非线瞧度:
0.8PP醚（±12。
/s
（2CharlesStarkDraperLaboratory,Inc磅裁熬炎缍陀螺（94年攫道
实现方案:
光源与探鞭l器采糟微黧光学器件缀合成一个单元器件,光源采用ELED,模拟阙醛检测电鼹。
光纾长度:
1000m工作波长:
1,3牡m
环外强:
17.3cm零偏稳定性:
0.002%
随机游走:
0。
001。
/h标度困数稳定・陵:
IOPPM
（3JapanAviationElectronicsIndustry,Ltd研制豹光纤陀蝶（96年掖邋
实现方案:
利用￥波导,光源采翅SLD,袋鼹全数字阉臻捡测电路。
光纤长度:
850m工作波长:
0.833啡环外强:
6.8锨零偏稳定往:
0.022瞬l随杭游走:
0.0076。
/,5栎度函数线健度:
9+8PP鞭
光纤陀螺的快速发展在于其鼹有其它陀螺不具备的优点,大体商如下几个方嚣;（1灵敏褒商,萁税疆可达0.001誓h;（2结构尺寸,j、,质鼙轻。
函巍光纾陀螺仪爵熬靥嶷成必鼹缝藏;（3懿生产工蕊麓擎,戏本鬣:
（4潞耧功率小。
送一点对导弹、卫星等飞行器尤其重要;（5动态测量范因宽。
最大溅量藏越逸至§±lOOOVs不袋润瑟,丽这对一切飞行器都是够掰了;（6没有撬摭旋赣鼹量（转孑帮辘承。
这羧挺麓了光终整糕投静掰卷瞧,降羝了黛产
蹬拳揍王穗大学颈士学谴谂文
成本;（7准备时间短,几乎是瞬时启动;（8对线加速度不敏感,因此农大过载条锌下工作羧髭不会交棼;（§莸于挽能力强,对癸都奄磁场戆痒蠲不敏感。
1,2光纤陀螺麓发糯趋势及应用葡景
近年来,人们在光终陀螺理论的完善、方寨的设计、器件的研制以及实现工艺等方面取得了明显进展,,e其在干涉型的光纤陀蠓研制方面进展顺剩,技术日趋成熟,形成诸多规格产照和高性能光纤陀螺样机。
单就技术丽寒,在陀螺光路的构成、信号的检测和处理等方面形成了一种趋势,主要表现在以下四个方面LH]。
1.2.1阶梯波闭环检测方案
光纾陀螺是裁T霹j蹩纾Sagnac-y涉仪寒敏感转动是遴搴,逶避轰搂溅爨干涉仪的输出光电流就可以确定转动角速率。
然而此干涉仪输出表现为余弦函数,输出特性仅操小角遴率范围内为线一姨,动态藏匿有黢。
掘侮扩大动态范阐,可采用模拟相位跟踪法和组合波反馈调制法（倍频调制和双频调制实现梭测电路的闲环,也可采用移频嚣的方法实现光鼹上鲍阙环。
这葶孛必踌耀环,怒在左右旋光束之间引入一个可控制的非互易相移,直接补偿由转动引越的Sagnac棚移,使光纤陀螺的光路总处于零掘位工作状态。
所弓l起瓣非互甥毒b德相移就是转动角速率豹度量,即光纤陀螺的输出。
这种移频通过声光布喇格调制和电光调制来实现。
声光调制是利用声光效应产生光频移动,而嗽光调制是程敏感光纤圈豹一湍弓I入一个高速铌酸键魄光调制器,通过可变周期r的锯齿波驱动,使正反两光束之间产生~个与锯齿波周期F成反比的jS互荔裾移。
途稗电光调稍阂环检灏方案是爵前国际上最普遍采用的方案,成为当前提高光纤陀螺标度因数精度和扩大动态范围最主要的技术手段m。
1.2.2集成光学器件的应用
于涉型光纤陀螺包攒分立光学元仕型、全走纤型襄集残光学涎。
努交光学元件型本质上克服不了温度和机械的不稳定性,也不邋于大批爨生产,更难以体现光纡陀螺固有的特点;企必纤陀螺逶过骚终的衰佳§2霹以获褥较裹的整体性能,但工艺复杂、难度大,需冀大量的光纤焊接和耦合对准,而且
3
蜍家滨工疆大学硕士学位论文
目前还找不到一种线性、宽频带的光纤调制器,难以实现光纤陀螺宽的动态藏匿,陵戳了应鬻领域蠡每扩震。
遮著集成光学技术麴发震,涛集戏光波鬈弓{入光纤陀螺,这也是光纤陀螺技术发展道程的一大飞跃。
它不仅解决了宽频繁数调澍器,瑟爨为陀臻光路嚣臀懿密爨绳筷了1i誊撵,搜毙绎陀臻实瑗了大动态量程和小型化。
裹度集成的光学波导蕊片楚将光纾藏螺走路（狳毙滚、搽涮器秘先纾溺外、其它所有的光路和功能器件都集成衣一个铌酸锂波导芯片上。
这样一米,甄实现了光学阙嚣,又撬瘫了标发因数稳定洼,凌蠖毙终越爨零寒应其鸯瓣商可靠性、小体积、低成本等优点愈加显示出来。
光纤陀螺光路结构集成化经历了三个除段,即单Y激囊成光学波导、双￥篓集或必学波导秘多功能（毙反馈型光学波导121。
l+2.3数掌化信鼍处瑾褰瑰
干涉型光纤陀螺的输出是余弦响应,为获得商灵敏度,必须采取调制/蕊调技本来实嚣德嚣。
然霜,霜鬻蕊豹摸叛解谲技本存簌严重静编置漂移,全数字处瑕技术为解决偏蓬漂移提供了~祭理想的途径。
数字电路不存在直滚电压波麓帮湿度交纯雩|起兹编羧漂移,褥显荔予实现毫籍豹毒黧亿和集成化。
该数字解调器由混频器、采样保持放大器、模/数转换器以及数字信号处褒赣等部分篷藏。
鑫整鳎光学帮分鍪|这搽溪l器熬输蠢售学先进入混频器,在保持振幅和相位储息的状态下,其频率被降值转换。
混频器的输出信号邋过采样保持放大嚣秘模数转涣器传为矗e售譬转换戏数字绩母避入DSP。
DSP将采样信号岛参考信号相乘积分获得解调信号。
信号的全数字化处理也是当前光纾陀螺技术发展的一大趋势。
1.3课题研究的主要内容
本论文主要研究静楚强纾陀螺捷联镄导系统硬件电路静构建,主要涉及数据采集、外部邋讯和导航结算等方面的问题。
以数字信号处理器DSP（TMS320VC33凳蓥磴,设诗完戒了光纤陀螺捷袋馁导系统豹硬佟电路系统。
课题研究的主要内容如下:
（1麓擎套绥了光驽陀螺豹发震瑰袄酾蔫暴,对毙纾隧缥有一个更全面地认识。
4
嗡零滨工程大学颈圭学位谂文
（2简单介绍了捷联惯导系统的主要原理,并且介绍了光纤陀螺的主要王{乍琢毽。
（3介绍DSP最小系统的整体结构设计,并详细说明了对DSP及周边器传弱控裁瞧鼹懿设诗。
（4介绍光纤陀螺的加速度计的数据采集数字化的设计及实现。
（5分缨光终珑螺戆渥度数摄采集懿爨夔设诗及实蕊,采集瓣数撵麓于厝续接联程序的温度补偿。
（5陀螺及期速度诗与DSP瓣接日魄鼹设诗,臻{芷捷联系绫瓣愿戆数据实时接收。
（7分缨DSP与外部设冬（PC极,GPS积计怒仪鳇逐信接翻电路设诗。
1.4课题研究的意义
戮光纾怼灞仪帮燕邃凄诗菇麓穑穗袋鹣捷联系统,两者静原始数据采集黧关重要,所以讨论陀螺仪和加速度计的数据采集很有j黧义,数据的采集频零、采繁方式嚣镶缮搽讨。
DSP如何同步接收光纤陀螺仪和加速度计的数据也需要讨论,所以设计熬好弱接强宅路建必不譬少麴,溉要缲滋对暴始数据懿掇确族浚,还要尽量保证两者在时间上的同步。
对予婕联溪簿系统,捷联雾法是核心,霞鲍选取合遗静数字簧号整遴芯片非常关键,构成的硬件系统是软件功能实现的旗础,良好的硬件电路怒系统成功运行的基本保证。
捷联惯导系统需要与外部进行通讯,因此设计合理的通讯电路是很脊必要的,传输数据的难确、霹靠、安时是熬个捷联-矮导系绕处子良好工馋状态的一个前提。
嗡尔滚工程太学磺士学位论文
第2章光纤陀螺捷联惯导系统原理
2。
{弓l塞
捷联式惯导系统中,光纤陀螺是惯性测量的核心部件,为捷联算法稷序援供了最裙酶藤鲶数据,它是一静蓥予萨格奈壳效应豹jl&学竞逮攀传惑器佟。
作为全固态的结构有着机械陀螺不可比拟的优势。
本章主幕介绍光纤陀螺的王绎器毽及捷联楼罢系统戆工佟缀理,并详缨奔缓先纡院漂捷联馔导系绫鹣构成。
2。
2光纤陀螺祷工{絮原理
光纤是利用光的全反射原理丽做成的一种导光纤维。
就光纤陀螺仪基本舔理两论,它是~种由光纤作为光通路的萨格奈克干涉仪Ilj。
光纤陀螺彼的萨格奈克效应可以用图2.1a所示的圆形环路的干涉仪来说明。
该于涉仪由光源、分束板、反射镜茅噩光纤环组成。
毙程A点入燕寸,并被分柬袄分成等强的两束。
反射光a进入光纤环沿着嘲形环路逆时针方向传播。
透射光b被反射辘反莉酉采惹又竣分束蔽反射,进入光纤环沿着豳形环路糇时针方向转播。
遨两束光绕行一周后,又在分束板汇合。
先不考虑光纤芯层的折射率的影响,攀谈为兔楚在辑羹毒率鸯1懿媒震中转播。
警干涉便稳对溪性空阗觅旋转辩,相反方向传播的两束光绕行一周的光程相等,都等于圆形环路的周长,即La=厶=三=2感
两柬光绕行一周的时间也相等,都等于光程五除以真空中的光速c,即;。
=;。
=争=笔生
当干涉仪绕麓光路平砸相垂崴的轴以角速度m（设为逆时针方向耀对濑往空阕旋转对（图2.1b,由予光纤环和分束税均随之转动,褶反方向传播的两荣光绕行一周的光程就不棚等,时间也不棚等f31。
逆时针方向传播的光束a绕行~蘧翡时闻设为t。
当它绕行~周再次到达分束板对多走了震甜。
一段距离,其实际光程为:
L。
=2艘+胄删。
而这柬光绕行~周的时间为:
ta:
每:
兰12j兰!
监
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由_【聩二可解得:
气甚婴
0—1"1国
（a
R
图2.1圆形环路萨格奈克干涉仪
顺时针方向传攒的光束b绕行一周的时阁设为如,当囊绕萼亍一周髯次到达分寒叛霹少走了觳晚一莰疆离,萁实医竞稷为
厶=2粥R—Rootb丽这束光绕行一周的时间为
‘:
墨:
—2err-—Rcot5国此可解得tb=等（2-I（2-2（2-3
鞠反方囊建攒瓣甄柬毙绕行~霜鬟这分寒投靛簿霾差为
△f2fd一屯。
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i:
4丽xR2掰（2—4邈墨。
2>>（Rco。
薪戬上式霹菇足够精确缝近镁隽
一f。
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.R2国（2-5鼹索光绕行一髑到达分柬板鳃竞程差赠兔
越。
删r:
—42d—}2脚（2-6
这表明两柬光憋光程差△三与输入受速度国成芷磁。
实鼯上,式中艘:
代表了辫形环路的面襁。
7
...。
一;;一墼鎏罂主鋈耋耋耋誊乙.一。
一。
。
.—一现在讨论光猩折射率为n的光纤芯层中的传播。
当干涉仪无转动时,两窳竞靛传播速褒稳荧c/n。
当骞兔速疫掰（设为滋辩锌方淘输入辩,瑟柬光的传播速度不辩相等。
根据洛仓兹一爱因斯坦速度变换式,可得逆、顺时钟方囱薅搔懿光遮分裂淹C,n+尺国
%2再i丽c,野一矗国钆。
Fi丽（2-7（2-8
在魏情况下,光束a、b绕行一周躺时同f。
和吒应分爵g满足下列关系:
2zR（黜+置17
2a2—丁=而丽丁一（2—9
2万R（"c—R∞1
‘62_F恧面广（2一lo
不难看出,此情况下相反方向传播的两束光绕行一周的时间麓笛及光程蓑矗三,鬻与奏空中的清魏完全秘褥,亦馨与竞静传摇媒旗的折射率无关。
光纤陀螺仪可以说是直接继承了萨格奈克干涉仪,通过测量两束光之间的棚位蓑嚣耪移来获褥被溺焦邃发。
蔼窳光之溺豹穗移射及竞稳差△工露鲡下美系:
△妒=三{L△上
（2—11式中矗为光源的波长。
将（2-1式代入上式,并考虑光纤环的周长
f=2zR,可褥两求光绕行一周嚣次汇合辩的稳移:
4够:
—2z—Rl∞（n刀够=一∞k
e五以上是单匝光纤环的情况。
光纤陀蝶仪采用的是多匝光纤环（设为N匝的光纤线鼹,两窳光绕行N周再次汇合时的相移敷是:
:
——/∞
（一2;-13=一∞L
10Jc^麦予j囊空中巍速。
帮蘸蜀率露垮羹鬻数,毙源发光煞波长蠢潋及光纾线圈半径R、匝数N等结构参数均为定值,因此地陀螺仪的输出相移△妒与输入角速度搿戏iE垅,亦即:
矗擎=Kco,
式中Ⅳ称为光纤陀螺标度因数,S
蜍尔滨工程大学琰±学经论文
,4xRIN
A=一醴
上式褒明,在光纤线圈半径一定的条件下,可以通过增加线圈匝数即增加光纤总长度来提高测量躺灵敏度。
光纾陀螺仪簸是剩粥上述原理,遥过槌彼的变化来感知鲴虹球自转,作为地球自转角速度传感器的”】。
2,3常用坐标慧
在导航定位过程中,需要得到载体所在位置的经纬度的坐标及航行姿态（缀摇角、辏摇篾器靛爨热等参数,送羧蓑要邃取一是熬坐标系{车麦基猿,下面逐一介绍[13J;
（1i系:
建,§骥牲坐檬系——0;X;Y。
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