基于软核处理器的二频机抖陀螺信号处理系统

1 引言
    激光陀螺的工作原理是Sagnac效应，与传统的机械陀螺相比，激光陀螺具有精度高、耐环境性能好、动态性能好、启动时间短、寿命长及数字式输出等特点，是捷联式惯性导航系统的理想元件。目前激光陀螺已逐渐取代传统的机械陀螺，广泛应用于军用飞机、水面舰艇、战术导弹、民用航空、陆用车辆和定位定向系统等领域。
    二频机抖陀螺工作电路包括高压电源、抖动驱动与噪声注入、稳频和信号解调等部分。系统设计以软核处理器为核心．实时控制稳频、抖动驱动与噪声注入和高压电源等单元，并实现陀螺读取信号的鉴相解调与数字滤波。
    Nios II是Altera开发的嵌入式软核处理器，采用RISC精简指令集，具有外设可定制、可裁剪性等优点，可方便嵌入Cvclone及Stratix系列 FPGA。陀螺信号处理系统中需要多种定制化的外设，而一般处理器无法满足这种要求，因此NiosⅡ软核处理器是处理激光陀螺陀螺信号的理想选择。

2 系统结构设计
    图1为系统的功能原理框图。图中A、B为光电转换器接收的拍频信号过零比较后产生的方波信号，这两路方波信号经跳变检测和鉴相后产生跳变脉冲和方向信号。可逆计数器根据方向信号对脉冲进行可逆计数，而和频计数器仍对脉冲进行正向计数。低通滤波器对可逆计数器的计数值进行滤波，并将滤波值输入到处理器。UART1和上位机通讯，而UART2和UART3分别与稳频和抖动电路通讯，以控制稳频和抖动参数。2个SPI接口分别控制A／D转换和D／A转换的部分。

    考虑到系统资源要求，FPGA采用Altera公司生产的EP2C200240C8，它属于Cyclone II系列，其内部资源主要有：多达两万个逻辑处理单元(LE)；52个M4K模块，总共26 KB的片内RAM；26个18×18硬件乘法器；4个全局时钟锁相环；多达142个外部引脚。系统选用快速型Nios II处理器，处理器占用3 000多个逻辑处理单元，工作时钟为100 MHz。由于系统处理器程序运行在SDRAM中，所以在构建系统时要添加SDRAM控制器，SDRAM使用HY57V283220，其存储空间为16 M字节，完全能够满足处理器实际需求。处理器程序固件和FPGA的配置信息存储在EPCS串行配置器件中，这样可减少一片外置Flash。因为程序从 EPCS启动，所以在SoPC设计时添加外设EPCS控制器以引导程序的初始运行。

3 信号滤波实现
    激光陀螺的读取信号是由两个光电管经光电转换后产生的，工艺上要保证两个光电管的拍频相位相差90°，这样便于在信号处理时进行相位检测。为了尽量减小锁区带来的误差，一般在陀螺中加入一个正负交变的正弦偏频信号：
   
    根据Sagnac效应，若外界的角速度为Ω转，则激光陀螺输出差频为：
  
    式中，A为环形激光器的面积，L为激光腔的总长。
    对式(2)积分可得：
  
    为了有效提取信号，通常是对可逆计数器的计数值(即式(3)的积分值)进行滤波。
    这里采用FIR数字低通滤波器，如果FIR滤波器的系数对称，则具有精确、严格的线性相位，这正是实际导航应用所要求的。为了兼顾实时性和防止信号产生混迭，设定采样率为2 kHz，采用高阶FIR滤波器。
    图2为1 s内采集的可逆计数器的输出信号，从图中可看出：有用信号已被抖动信号和量化噪声完全覆盖。图3为信号的功率谱，从图中可看到，抖动信号在功率谱中占很大分量(功率谱的最大值处的频率对应抖动频率)，还原出被测量信号必须对可逆计数器的输出信号进行低通滤波，以滤除抖动及其他杂散信号。图4为滤波后的脉冲输出，不同于图2，从图4中可清楚地看出：在2 000点(即1 s时间内)恒定地球转速下累计约15个信号脉冲。

    可编程逻辑器件为FIR滤波器的设计提供高灵活性，可采取多种结构，例如并行流水线结构、串行结构等。考虑到采样率相对不是很高，为节约系统资源，这里采用自行设计的串行结构滤波。

4 接口部分
    由于陀螺工作的外界条件不同，陀螺工作的最佳参数可能也不相同，这就要求处理器能够根据需要实时调整测试电路参数，并实时监控电路和陀螺状态，对出现的问题能够自我感知。UART1为面向上位机的通讯接口，经电平转换后通过RS232线缆连接至计算机．它一方面接收计算机的控制参数，另一方面将采集的数据传至计算机。

4．1 抖动稳频控制
    UART2与稳频板相连接，它对稳频电路的控制主要包括：(1)控制稳频电路的开启或关闭；(2)监测稳频是否异常；(3)实时读取光强和控制电压值。
    而UART3是与抖动电路通讯的接口，它对抖动电路的控制主要包括：(1)控制抖动电路的开启或关闭；(2)监测抖动是否异常，监测抖动频率；(3)下载噪声表。UART2和UART3由于传输距离不是很长，设计中直接采用3．3 V电平，无需电平转换，经实际测试，没有出现误码，通讯稳定。
4．2 A／D转换和D／A转换部分
    A／D转换部分负责采集温度、光强、控制电压等模拟信息，同时采集陀螺内部温度，实现温度补偿，该系统选用ADS8344。ADS8344是一款高性能、低功耗的16位的A／D转换器，内有高精度基准电压，最大采样频率为100 kHz，信噪比达84 dB，包含8个单端模拟输人通道(CH0～CH7)，参考电压VRFF范围为500 mV~VCC。ADS834通过三线SPI接口与Nios II处理器通讯。为了控制环形激光器的工作电流，D／A转换部分采用具有双路输出的12位D／A转换器AD5322，该器件具有超小体积，超小功耗的特点，完全与Nios II处理器SPI接口兼容。

5 实验及结论
    按照上述设计结构，研制以嵌入式软核处理器Nios II为核心的二频机械抖动激光陀螺信号处理系统，并对某型国产二频机抖陀螺进行实际测试，测试数据如表1所示。

    经长时间测试检验，系统运行稳定可靠，能够有效控制与监测陀螺的运行工作参数，达到预期设计要求。