以FPGA為基礎(chǔ)的激光陀螺信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程詳解

利用FPGA的高度并行性和對(duì)時(shí)延的準(zhǔn)確控制，設(shè)計(jì)對(duì)激光陀螺信號(hào)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(shí)鐘設(shè)計(jì)和高速高階濾波設(shè)計(jì)，很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)陀螺信號(hào)精確鑒相、計(jì)數(shù)和高速濾波，并協(xié)調(diào)DSP的后續(xù)處理和上位機(jī)通信。通過對(duì)國(guó)產(chǎn)某激光陀螺進(jìn)行測(cè)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(cè)試結(jié)果，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間也得到極大提高。

激光陀螺由于具有精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)廣泛運(yùn)用于各類戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、軍用飛機(jī)、航天航海等領(lǐng)域。

激光陀螺信號(hào)解調(diào)常用的實(shí)現(xiàn)方法是用DSP實(shí)現(xiàn)。由于解調(diào)過程中一般需要高階濾波，雖然DSP運(yùn)算速度特別快，但是由于濾波是多個(gè)串行乘法和加法的組合，當(dāng)濾波階數(shù)較高時(shí)，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(gè)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(diǎn)，同時(shí)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(shí)具備高精度的激光陀螺信號(hào)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(hào)解調(diào)系統(tǒng)將用于陀螺信號(hào)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(shí)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(jì)中巧妙的時(shí)鐘邏輯設(shè)計(jì)，實(shí)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(diǎn)。因此基于FPGA的激光陀螺信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)將是陀螺解調(diào)領(lǐng)域理想的實(shí)現(xiàn)方案，而DSP只是配套用來做后續(xù)的算法實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(hào)經(jīng)過整形后得到的方波信號(hào)，兩路信號(hào)進(jìn)入FPGA后首先進(jìn)入鑒相模塊，鑒相后得到的兩路數(shù)據(jù)進(jìn)入計(jì)數(shù)模塊后進(jìn)行可逆計(jì)數(shù)。可逆計(jì)數(shù)得到的計(jì)數(shù)值每隔一段時(shí)間再送到濾波器中進(jìn)行高階濾波，濾波后的結(jié)果對(duì)應(yīng)濾波采樣時(shí)間內(nèi)的陀螺凈轉(zhuǎn)動(dòng)角度。同時(shí)FPGA具有脈沖計(jì)數(shù)、機(jī)抖周期計(jì)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(jī)顯示。如果需要對(duì)陀螺解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算，則FPGA將解調(diào)后的角速度值發(fā)送到DSP進(jìn)行后續(xù)處理。

由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)的工作量。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵程序設(shè)計(jì)及分析

2.1 系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)計(jì)

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(jì)數(shù)的情況。因此需要完善的系統(tǒng)時(shí)鐘協(xié)調(diào)各模塊來準(zhǔn)確無誤地對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。可靈活設(shè)計(jì)的時(shí)鐘系統(tǒng)和對(duì)時(shí)序的精確控制是FPGA在陀螺解調(diào)中的優(yōu)勢(shì)之一。

鑒相需要將輸入的兩路方波信號(hào)和主時(shí)鐘同步，陀螺輸入兩路方波由于機(jī)抖的原因，方波的頻率隨時(shí)間成正弦變化。經(jīng)測(cè)量，頻率最大處為2 MHz左右。因此鑒相電路需要引入的主時(shí)鐘必須為8 MHz以上，采用15 MHz的主時(shí)鐘將兩路信號(hào)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(shí)，CW有輸出。當(dāng)COS超前時(shí)，CCW有輸出。輸出信號(hào)分別為兩路信號(hào)的上升和下降沿被同步后的輸出，脈沖寬度正好為一個(gè)時(shí)鐘周期 。由于鑒相后兩路信號(hào)輸出的交替性，其交替周期便是機(jī)抖周期，因此可以據(jù)此來計(jì)算陀螺機(jī)抖頻率。

2.2 計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)

CW和CCW信號(hào)已經(jīng)與主時(shí)鐘上升沿同步，脈沖寬度正好是一個(gè)主時(shí)鐘周期。因此當(dāng)主時(shí)鐘下降沿到來時(shí)，CW、CCW一定沒有跳變。據(jù)此特性可以利用系統(tǒng)主時(shí)鐘的下降沿來作為計(jì)數(shù)器的工作時(shí)鐘，主時(shí)鐘下降沿到來時(shí)檢測(cè)到CW、CCW為高電平時(shí)，各自的計(jì)數(shù)器加1。計(jì)數(shù)值采樣時(shí)鐘為主時(shí)鐘的分頻，和主時(shí)鐘的上升沿同步，因此當(dāng)采樣時(shí)鐘上升沿到來時(shí)，可以保證CW、CCW沒有跳變。這種設(shè)計(jì)方案使得計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)和取數(shù)的過程中都不會(huì)發(fā)生多一個(gè)脈沖或少一個(gè)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(jì)數(shù)的波形圖。

由于陀螺的自轉(zhuǎn)角速度相對(duì)機(jī)抖轉(zhuǎn)動(dòng)小很多，1 s的時(shí)間內(nèi)也只累加幾個(gè)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(shí)鐘設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采樣時(shí)鐘到來后便對(duì)計(jì)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(jì)數(shù)器寬度可以較小，且不會(huì)有計(jì)數(shù)器溢出的危險(xiǎn)。

2.3 濾波器設(shè)計(jì)

濾波器定時(shí)采樣計(jì)數(shù)器計(jì)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(gè)擋。要想設(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率為100 Hz，把計(jì)數(shù)脈沖高頻段（200 Hz~400 Hz機(jī)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。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用DSP做一個(gè)16 bit的200階FIR低通濾波時(shí)，用業(yè)界最快的浮點(diǎn)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(huì)更慢。由于FPGA的高速并行性，使用分布式算法設(shè)計(jì)高階濾波器，完成一次濾波只需要簡(jiǎn)單的幾次查表運(yùn)算，因此濾波周期也就是幾次查表運(yùn)算的時(shí)間之和，并且對(duì)于階數(shù)增加，查表時(shí)間并沒有明顯變長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)200階濾波器的采樣頻率理論上可以到達(dá)1 MHz以上。此外FIR濾波器的系數(shù)可以由Matlab fdatool工具生成。由于FPGA不能直接進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，因此需要將浮點(diǎn)數(shù)整型化，因此整型化的好壞直接影響濾波精度。通過實(shí)驗(yàn)，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(kuò)大224倍。Matlab中整型化和系數(shù)存儲(chǔ)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(jì)完成的濾波器對(duì)計(jì)數(shù)信號(hào)進(jìn)行濾波，濾波結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行繪圖，波形如圖4所示。

從圖中可以看出，濾波結(jié)果波動(dòng)范圍正好為式（2）的計(jì)算值。其均值便對(duì)應(yīng)1 s內(nèi)一定轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的陀螺輸出值。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用本系統(tǒng)和原有系統(tǒng)對(duì)國(guó)產(chǎn)某型號(hào)陀螺進(jìn)行多次測(cè)試并將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(cè)試條件下發(fā)現(xiàn)，本系統(tǒng)的測(cè)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(cè)試結(jié)果，圖7是原有系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果。

從以上測(cè)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(dòng)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(jiǎn)介了基于FPGA的激光陀螺信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(hào)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(shì)。?