光纖陀螺通用并行測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：光纖陀螺本身所固有的高精度、抗復(fù)雜環(huán)境等顯著特點(diǎn)，廣泛用于航海、海天、機(jī)器人等軍民用姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中。隨著光纖陀螺的不斷發(fā)展，光纖陀螺通訊速率越來(lái)越快，普通PC機(jī)的接收數(shù)據(jù)速率已無(wú)法滿足光纖陀螺的測(cè)試，這很大程度影響了光纖陀螺研制工作的開(kāi)展。本文提出一種基于FPGA的高效并行測(cè)試系統(tǒng)方案，利用FPGA高速計(jì)算的特點(diǎn)，結(jié)合收發(fā)器，將波特率為1M以上的陀螺數(shù)據(jù)，通過(guò)同步、組幀、發(fā)送的方式，轉(zhuǎn)化為普通PC機(jī)能夠接收的低波特率數(shù)據(jù)，且保證陀螺數(shù)據(jù)的完整性，解決光纖陀螺研制過(guò)程中的高速數(shù)據(jù)接收問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：光纖陀螺;FPGA;測(cè)試

1、引言

光纖陀螺作為一種新型全固態(tài)慣性儀表，被廣泛用于航海、航天、機(jī)器人和石油儀器等各類軍民用姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中。隨著近幾年技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖陀螺數(shù)據(jù)輸出速率也隨之增加，以前采用的陀螺測(cè)試系統(tǒng)已無(wú)法滿足波特率較高的光纖陀螺的測(cè)試需求，因此光纖陀螺測(cè)試系統(tǒng)也需要提高數(shù)據(jù)采集、處理頻率且對(duì)陀螺數(shù)據(jù)的丟幀錯(cuò)幀有一定的風(fēng)險(xiǎn)處理能力。

本文提出一種基于FPGA的高效并行測(cè)試系統(tǒng)方案，采用軟硬件結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)多路陀螺的控制、通訊及數(shù)據(jù)采集。光纖陀螺通用測(cè)試系統(tǒng)主要有如下特點(diǎn)：1）可同時(shí)對(duì)4只陀螺進(jìn)行測(cè)試，支持多種陀螺數(shù)據(jù)通訊波特率及格式，目前最高可達(dá)2Mbps;2）通過(guò)設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)（陀螺編號(hào)、測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)試時(shí)間等），可以完成各項(xiàng)性能測(cè)試;3）具有一定的數(shù)據(jù)判斷能力，對(duì)于丟、錯(cuò)幀數(shù)據(jù)，直接舍棄，避免影響陀螺整體工作回路。

2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光纖陀螺通用測(cè)試系統(tǒng)由硬件子系統(tǒng)與軟件子系統(tǒng)構(gòu)成，硬件子系統(tǒng)由晶振、接口電路、FPGA、電源電路等組成，是系統(tǒng)工作軟件的載體，主要實(shí)現(xiàn)光纖陀螺測(cè)試中的各項(xiàng)硬件接口;軟件子系統(tǒng)主要是指FPGA工作軟件，包括時(shí)鐘模塊、指令發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)接收模塊等，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖陀螺輸出數(shù)據(jù)的采集、組幀、發(fā)送等功能。

3、具體實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

硬件子系統(tǒng)是光纖陀螺通用測(cè)試系統(tǒng)的硬件載體，由晶振、接口電路、FPGA、電源電路等組成。其中晶振產(chǎn)生系統(tǒng)主時(shí)鐘，作為系統(tǒng)工作軟件的時(shí)鐘參考;電源電路采用凌特公司的兩款集成電路，實(shí)現(xiàn)從主電源（+5V）到兩路數(shù)字電源（+3.3V、+1.5V）的轉(zhuǎn)換，作為FPGA的供電電源;接口電路采用數(shù)字收發(fā)器及隔離器，實(shí)現(xiàn)光纖陀螺測(cè)試硬件接口，接收光纖陀螺輸出數(shù)據(jù);FPGA作為系統(tǒng)工作軟件的載體，配合系統(tǒng)工作軟件實(shí)現(xiàn)陀螺數(shù)據(jù)的同步、組幀、發(fā)送等功能。

3.2 軟件子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

軟件子系統(tǒng)是指FPGA工作軟件，由時(shí)鐘模塊、指令發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)組幀及發(fā)送模塊等組成，各模塊功能及實(shí)現(xiàn)如下。

3.3時(shí)鐘模塊

時(shí)鐘模塊主要是產(chǎn)生數(shù)據(jù)采集時(shí)鐘、指令發(fā)送時(shí)鐘和數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)鐘，分別作為接收數(shù)據(jù)、發(fā)送指令和發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)鐘基準(zhǔn)。該模塊先通過(guò)FPGA芯片內(nèi)部的鎖相環(huán)將晶振產(chǎn)生的時(shí)鐘進(jìn)行倍頻，形成系統(tǒng)工作的主時(shí)鐘CLK，再定義三個(gè)寄存器，分別通過(guò)位翻轉(zhuǎn)判斷的方式，形成數(shù)據(jù)采集時(shí)鐘R_clk、指令發(fā)送時(shí)鐘O_clk和數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)鐘S_clk，作為數(shù)據(jù)接收模塊、指令發(fā)送和數(shù)據(jù)組幀及發(fā)送模塊的輸入時(shí)鐘。

3.4指令發(fā)送模塊

指令發(fā)送模塊主要是產(chǎn)生陀螺觸發(fā)指令，作為外觸發(fā)模式光纖陀螺的發(fā)數(shù)信號(hào)。該模塊先定義一個(gè)字節(jié)的數(shù)組，將陀螺觸發(fā)指令存入該數(shù)組，然后通過(guò)移位寄存器將該數(shù)組的內(nèi)容發(fā)出，形成陀螺發(fā)數(shù)信號(hào)。該模塊只針對(duì)于外觸發(fā)模式光纖陀螺的測(cè)試，對(duì)于自觸發(fā)模式的光纖陀螺可以屏蔽，不予使用。

3.5數(shù)據(jù)接收模塊

數(shù)據(jù)接收模塊主要是接收陀螺輸出數(shù)據(jù)。利用時(shí)鐘模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)采集時(shí)鐘，對(duì)陀螺輸出數(shù)據(jù)采取“八判七”的方式，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，并利用校驗(yàn)位對(duì)數(shù)據(jù)的真實(shí)性進(jìn)行判斷，對(duì)于錯(cuò)幀數(shù)據(jù)舍棄處理，同時(shí)置位錯(cuò)幀標(biāo)志寄存器，上位機(jī)根據(jù)錯(cuò)幀標(biāo)志寄存器決定是否停止測(cè)試，方便研發(fā)人員進(jìn)行問(wèn)題定位。

3.6數(shù)據(jù)組幀及發(fā)送模塊

數(shù)據(jù)組幀及發(fā)送模塊是將接收的陀螺輸出數(shù)據(jù)，按照上位機(jī)采集數(shù)據(jù)的格式，進(jìn)行組幀，形成起始位、停止位、校驗(yàn)位和校驗(yàn)字節(jié)，同時(shí)將時(shí)鐘模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)鐘作為數(shù)據(jù)輸出基準(zhǔn)，通過(guò)移位寄存器的方式將組幀后的數(shù)據(jù)進(jìn)行移位輸出，當(dāng)全部數(shù)據(jù)輸出完之后，置位發(fā)送完成標(biāo)志寄存器。

在整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中，軟件子系統(tǒng)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，所有的測(cè)試邏輯基本通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，因此軟件是否正確就確定測(cè)試工作是否準(zhǔn)確進(jìn)行，下面通過(guò)功能驗(yàn)證確保測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

4、功能驗(yàn)證

為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)測(cè)試系統(tǒng)的性能，分別選取已知性能指標(biāo)的外觸發(fā)模式光纖陀螺1只（通訊波特率為1.25M，陀螺觸發(fā)指令為0x55）和自觸發(fā)模式光纖陀螺1只（通訊波特率為921600bps）作為性能評(píng)價(jià)依據(jù)。按照光纖陀螺測(cè)試大綱要求，對(duì)這兩只陀螺進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目包括常溫零偏穩(wěn)定性、常溫標(biāo)度性能、閾值測(cè)試等，測(cè)試過(guò)程中光纖陀螺通信正常，各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果均與已知性能指標(biāo)一致，可以看出，光纖陀螺通用并行測(cè)試系統(tǒng)的指標(biāo)完全滿足光纖陀螺的測(cè)試要求。

5、總結(jié)

本文提出了一種基于FPGA的光纖陀螺通用并行測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)功能集成化程度較高，可根據(jù)不同的陀螺數(shù)據(jù)輸出波特率進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，極大地節(jié)省了研發(fā)人員時(shí)間與工作量，提高了光纖陀螺的生產(chǎn)交付進(jìn)度。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用與測(cè)試表明，該系統(tǒng)可靠性高，且能夠完成光纖陀螺幾乎所有參數(shù)的測(cè)試，對(duì)后續(xù)光纖陀螺的研發(fā)和測(cè)試工作，意義重大。

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作者簡(jiǎn)介：

陳楠（1994.04-），性別：男，民族：漢，籍貫：江西省九江市，當(dāng)前職務(wù)：設(shè)計(jì)員，

當(dāng)前職稱：助理工程師，學(xué)歷：大學(xué)本科，研究方向：光纖陀螺。

（作者單位：貴州航天控制技術(shù)有限公司）