國產(chǎn)FPGA助力激光陀螺系統(tǒng)（一）激光陀螺的數(shù)字信號處理與角度解調(diào)

背景介紹

1、激光陀螺的原理和應(yīng)用領(lǐng)域：

激光陀螺是一種基于Sagnac效應(yīng)的光機(jī)電一體化的高精度角速率傳感器，根據(jù)應(yīng)用場景不同，分為大型激光陀螺和小型激光陀螺。

大型激光陀螺主要用于監(jiān)測地球參數(shù)的大型傳感器，用于測地學(xué)、旋轉(zhuǎn)地震學(xué)、基礎(chǔ)物理等基礎(chǔ)科學(xué)的研究。

2、激光陀螺的系統(tǒng)組成如下：

激光陀螺儀構(gòu)成主體分為四部分：激光陀螺光學(xué)模塊，電學(xué)模塊，高壓電源供電模塊以及通信模塊。其中，激光陀螺光學(xué)模塊由偏頻機(jī)構(gòu)、點(diǎn)火機(jī)構(gòu)、環(huán)形激光器、腔長調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、合光棱鏡、光電二極管等組成。電學(xué)模塊包括前置放大電路、信號解調(diào)電路、穩(wěn)頻電路等，前置放大電路由模擬放大器實(shí)現(xiàn)對光電二極管輸出微弱電信號的放大，穩(wěn)頻電路為解決激光器輸出腔體中心頻率隨溫度發(fā)生頻移的問題，信號解調(diào)電路由AD，以及數(shù)字信號處理算法等實(shí)現(xiàn)。高壓電源為點(diǎn)火機(jī)構(gòu)提供高壓供電。最后，角度數(shù)據(jù)通過通信接口輸出給其他模塊的數(shù)據(jù)交互。其工作原理框圖如下所示：

圖 激光陀螺工作原理框圖

3、激光陀螺的信號處理關(guān)鍵器件：

激光陀螺硬件系統(tǒng)上主要包括激光陀螺傳感器、互阻放大器、比較器、電平轉(zhuǎn)換器、數(shù)字隔離器、耦合器和信號處理器。

圖 激光陀螺信號處理系統(tǒng)框圖

基于億海神針系列FPGA應(yīng)用案例（一）

激光陀螺的數(shù)字信號處理與角度解調(diào)

在激光陀螺系統(tǒng)中，可以使用FPGA實(shí)現(xiàn)區(qū)分激光陀螺的正反轉(zhuǎn)、輸出脈沖計(jì)數(shù)、倍頻，使用FPGA實(shí)現(xiàn)倍頻、濾波以提高激光陀螺測量精度。同時，F(xiàn)PGA也可以使用一定的算法解決系統(tǒng)的溫漂、校準(zhǔn)問題。在FPGA內(nèi)部也可以實(shí)現(xiàn)為激光陀螺的測量數(shù)據(jù)與其他模組、系統(tǒng)的交互，常使用RS485、RS422、RS232等傳輸協(xié)議。

中科億海微億海神針系列FPGA，邏輯資源覆蓋9K~130K，可以用于實(shí)現(xiàn)激光陀螺的信號處理，角度解調(diào)以及數(shù)據(jù)角度傳輸?shù)裙δ堋?/p>

優(yōu)勢：

1、 FPGA的并行處理能力可以提高激光陀螺信號的處理，角速度解調(diào)和傳輸?shù)膶?shí)時性；2 、FPGA內(nèi)部豐富的邏輯資源以及良好的溫度特性、功耗等級可以滿足激光陀螺在不同的工作環(huán)境下的高精度測量。

推薦器件

億海神針系列EQ6HL45型、EQ6HL45S F1型、EQ6HL45S M1型

根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)而定，如果有已選定的AD/DA器件，推薦使用EQ6HL45型，EQ6HL45S F1型（內(nèi)部集成flash）器件。如果有更高的集成化要求推薦EQ6HL45S M1型器件，將三路AD/DA、flash、RS422以及兩路差分運(yùn)放等集成到一個芯片中，集成度更高，性能更好，有利于產(chǎn)品的小型化。

1、EQ6HL45型FPGA

邏輯規(guī)模（萬門）：425；

存儲單元（M4K）：392；

鎖相環(huán)PLL/全局時鐘：8/16；

最大可編程用戶I/O：232；

最寬溫度范圍：-55℃~125℃；

封裝形式：CSG225/FTG256/CSG324。

2、EQ6HL45S F1型系統(tǒng)級芯片

邏輯規(guī)模（萬門）：425；

存儲單元（M4K）：392；

鎖相環(huán)PLL/全局時鐘：8/16；

最大可編程用戶I/O：152；

最寬溫度范圍：-55℃~125℃；

Flash：32Mb；

封裝形式：CSG225。

3、EQ6HL45S M1型系統(tǒng)級芯片

邏輯規(guī)模（萬門）：425；

存儲單元（M4K）：392；

鎖相環(huán)PLL/全局時鐘：8/16；

最大可編程用戶I/O：127；

最寬溫度范圍：-40℃~100℃；

Flash：64Mb；

封裝形式：CSG400；

ADC參數(shù)：

3通道；模擬信號輸入范圍1Vp-p~2Vp-p；最高更新頻率80MSPS；轉(zhuǎn)換精度14位。

DAC參數(shù)：

3通道；差分電流輸出2mA到20mA；最高更新頻率125MSPS；轉(zhuǎn)換精度14位。