基于FPGA的數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺儀模擬表頭設計

　　摘 要：光纖陀螺儀是一種用來測量角速度的傳感器。為了檢測調(diào)制解調(diào)電路是否符合設計要求，并提高陀螺的實際應用精度，本文設計了一種基于FPGA的光纖陀螺儀模擬表頭及其測試系統(tǒng)，能有效地檢測調(diào)制解調(diào)電路的性能。

　　關鍵詞：光纖陀螺;模擬表頭;FPGA;Verilog HDL

　　光纖陀螺是激光陀螺的一種，是慣性技術和光電子技術緊密結合的產(chǎn)物。它利用Sagnac干涉效應，用光纖構成環(huán)形光路，并檢測出隨光纖環(huán)的轉動而產(chǎn)生的兩路超輻射光束之間的相位差，由此計算出光纖環(huán)旋轉的角速度。光纖陀螺儀主要由兩個部分組成。伺服于表頭的調(diào)制解調(diào)電路根據(jù)輸入的電信號，經(jīng)過相應的變換后形成反饋信號送至表頭的相位調(diào)制器中。在實際的應用過程中，相應的調(diào)制解調(diào)電路應該根據(jù)溫度、振動等情況做出相應的改變，才能最大限度地保證陀螺的精度要求。本文設計了一種基于FPGA的測試系統(tǒng)，模擬光纖陀螺儀的表頭，并檢測調(diào)制解調(diào)電路的性能。

　　模擬表頭的基本原理及結構

　　表頭的主要功能是將Sagnac效應產(chǎn)生的光程差所引起的相位變化通過回路耦合器轉換為光功率的變化，再通過探測器探測后以電信號的形式輸出至調(diào)制解調(diào)電路中。數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺儀系統(tǒng)結構見圖1。從調(diào)制解調(diào)電路中采樣來的原始參數(shù)值，經(jīng)過模擬表頭內(nèi)數(shù)字信號處理，可將輸入調(diào)制解調(diào)電路的實際表頭信號還原出來。得到初始還原值之后，通過在模擬表頭中進行修改、加載不同類型的參數(shù)值，從而檢測調(diào)制解調(diào)電路中相應的性能指標。

　　圖1 數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺儀系統(tǒng)結構圖

　　本文所設計的模擬表頭系統(tǒng)遵循了一般數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺系統(tǒng)的基本原理，在系統(tǒng)結構上發(fā)生了變化。調(diào)制解調(diào)電路在本系統(tǒng)中處于被動地位，而表頭作為系統(tǒng)的主體。同時，用一個自主設計的電路系統(tǒng)代替了光纖陀螺儀的表頭部分。模擬表頭及其測試系統(tǒng)的結構如圖2所示。

　　圖2 模擬表頭及其測試系統(tǒng)框圖

　　圖中，PC上位機的工作十分重要，它不僅控制調(diào)制解調(diào)電路和模擬表頭系統(tǒng)的協(xié)同工作，而且要將所采集來的數(shù)據(jù)進行分析整理，并完成關鍵的軟件編寫和植入工作。

　　模擬表頭系統(tǒng)的硬件設計

　　根據(jù)理論分析，本文設計出基于FPGA的模擬表頭硬件系統(tǒng)，如圖3所示。

　　圖3 基于FPGA的光纖陀螺模擬表頭硬件連接圖

　　在這個閉環(huán)系統(tǒng)中，需要采集的主要信號是調(diào)制解調(diào)電路中的相位反饋信號。根據(jù)反饋信號的特點，選用運算量不大但處理速度快的FPGA作為信號處理的主要器件。在本方案中，考慮到成本和實際運算量，選取XC3S100E FPGA芯片。

　　本系統(tǒng)采用