光纖陀螺輸出信號模擬及計數(shù)卡的設(shè)計研究

曾凡錢

摘 要：光纖陀螺屬于一種新型傳感器，具有相對于慣性空間角運動、敏感性高的特點。本文首先介紹了光纖陀螺輸出信號模擬的電路設(shè)計，然后分析了計數(shù)卡的設(shè)計以及軟件的實際編程方法。經(jīng)過實際測試，發(fā)現(xiàn)光纖陀螺輸出信號的波形能夠被設(shè)計的模擬電路精確地模擬出來，從而能夠提供精準的輸入測試信號給計數(shù)卡，設(shè)計的計數(shù)卡具有精度高、電路簡單的優(yōu)點，證明此設(shè)計是正確的、可靠的。

關(guān)鍵詞：光纖陀螺；輸出信號；模擬；計數(shù)卡

1 光纖陀螺概述

1.1 光纖陀螺簡介

光纖陀螺屬于角速度傳感器的一種，所應(yīng)用的技術(shù)是光纖技術(shù)，目前光纖陀螺已經(jīng)在導(dǎo)彈、車輛、衛(wèi)星、潛艇、飛行器的姿態(tài)控制與導(dǎo)航制導(dǎo)中得到了廣泛的應(yīng)用，并且在礦井測斜、定位定向等領(lǐng)域也發(fā)揮著非常重要的作用。作為一種全新的慣性器件，光纖陀螺除了電路部分外，只需要五個光路器件，利用光纖環(huán)中的光在傳輸?shù)臅r候所出現(xiàn)的Sagnac相位差能敏感的捕捉到載體轉(zhuǎn)動的角速度，其中光纖陀螺全部為固態(tài)結(jié)構(gòu)，沒有轉(zhuǎn)動部件，具有動態(tài)范圍大、抗沖擊、啟動快、耐振動、壽命長、高可靠性的特點，與其他角速度傳感器相比，具有成本低、重量輕、體積小的優(yōu)點，因此在國內(nèi)外的慣性技術(shù)界得到了前所未有的重視，很快成為既機械陀螺、激光陀螺之后的能夠廣泛應(yīng)用的第三代陀螺。

光纖陀螺目前尚屬于一種新型陀螺，對慣性空間的角運動非常敏感，其輸出形式通常為模擬電壓、脈沖量或?qū)?yīng)角速度值的數(shù)字量等。下面將要分析的是計數(shù)式光纖陀螺，轉(zhuǎn)動的角速度值主要由脈沖數(shù)目量來表示，經(jīng)由兩條線對正反轉(zhuǎn)輸出，其中一條線輸出負轉(zhuǎn)速，另外一條線輸出正轉(zhuǎn)速。經(jīng)由計算機處理的脈沖量，必須具有較高的采集精度、較大的采集范圍，并且必須具備正反轉(zhuǎn)計數(shù)的功能。計數(shù)式光纖陀螺的輸出信號波形由信號模擬電路進行精準的模擬，信號的采集工作主要由計數(shù)卡來進行。

1.2 光纖陀螺的優(yōu)良特性

和傳統(tǒng)的激光陀螺、機電陀螺相比，光纖陀螺具備以下8點優(yōu)良特性：

第一，具有的零部件不多，儀器穩(wěn)定性好，牢固性強，具備很好的抗加速運動與抗沖擊的性能；第二，由于具備較長的繞制光纖，因此與激光陀螺相比，其分辨率、檢測靈敏度提升了幾個數(shù)量級；第三，由于不包含機械傳動部件，因此在使用過程中不會出現(xiàn)磨損的問題，使用壽命比較長；第四，對于集成光路技術(shù)的采用比較容易，擁有穩(wěn)定信號，能夠直接用數(shù)字輸出，能夠直接連接計算機接口；第五，通過對光在線圈中的循環(huán)傳播次數(shù)的改變以及對光纖長度的改變，能夠?qū)崿F(xiàn)不一致的精度，而且動態(tài)范圍比較寬；第六，由于相干光束的傳播時間不長，因此不用預(yù)熱就可在瞬間啟動；第七，能夠和激光陀螺聯(lián)合使用，形成不同種類慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳感器，特別是能夠形成捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳感器，具有廣泛的用途；第八，光纖陀螺具有較輕的重量、較小的體積、較低的價格、較簡單的結(jié)構(gòu)，因此便于大量推廣使用。

1.3 光纖陀螺存在的技術(shù)問題

雖然光纖陀螺有眾多優(yōu)點，也在國內(nèi)外的眾多行業(yè)有了廣泛的應(yīng)用，但是其仍然存在很多技術(shù)問題，不僅限制了其穩(wěn)定性與精準性，還限制了其在各行各業(yè)的應(yīng)用。光纖陀螺存在的技術(shù)問題主要有：一是其測量精度易受振動的影響，因此要想避免出現(xiàn)共振的情況，保障線圈良好的堅固性，就必須對線圈進行適當(dāng)?shù)姆庋b，合理地設(shè)計陀螺的內(nèi)部機械；二是易受溫度瞬態(tài)的影響，環(huán)形干涉儀的兩個反向傳播光路在理論上是等長的，但是嚴格的成立條件是系統(tǒng)不隨著時間而變化，實驗證明，旋轉(zhuǎn)速率測量值以及相位誤差的漂移和溫度的時間導(dǎo)數(shù)成正比，這在光纖的預(yù)熱期間是非常有害的；三是偏振的影響，雙偏振模式的光纖是目前應(yīng)用較多的單模光纖，由于光纖的雙折射能夠引起寄生相位差，所以需要用偏振對波進行過濾，雖然消偏光纖能夠有效抑制偏振，但是會大大地增加成本。

2 光纖陀螺輸出信號模擬電路的設(shè)計

對光纖陀螺輸出信號進行正確的、精準的模擬，不僅可以很好地了解光纖陀螺的工作原理，還能把模擬的輸出信號作為計數(shù)卡的測試數(shù)據(jù)，從而能夠檢驗計數(shù)卡設(shè)計的合理與否、工作狀態(tài)可靠與否以及計數(shù)精度的高低。本節(jié)詳細介紹了模擬電路的設(shè)計圖以及工作原理。

2.1 設(shè)計電路

來回轉(zhuǎn)動、反轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)是計數(shù)式光纖陀螺傳動的3種情況，與此對應(yīng)，所設(shè)計的輸出信號模擬電路必須能夠輸出正反脈沖序列、反轉(zhuǎn)脈沖序列、正轉(zhuǎn)脈沖序列這3種狀態(tài)，這樣才能對陀螺輸出的脈沖信號的波形有精確的模擬。光纖陀螺輸出信號的模擬電路主要由開關(guān)選擇電路、脈沖產(chǎn)生電路及晶振電路所組成，所設(shè)計的電路圖見圖1。

由圖1可以看出，或門74L32（1）、與非門74LS00（1）、計數(shù)器74L393（2）與計數(shù)器74L393（1）共同組成了脈沖產(chǎn)生電路，由晶振電路產(chǎn)生方波，其中振蕩頻率為10MHz。

2.2 光纖陀螺輸出信號模擬電路的工作原理

電路的工作原理是脈沖由晶振電路產(chǎn)生之后經(jīng)過74LS393（1）被分頻送到74LS00（1），之后74LS00（1）輸出的信號經(jīng)由計數(shù)器74L393（2）被分頻送到或門74L32（1）的輸入端，最后生成的脈沖由74L32（1）-P端輸出。由74L32（1）-P端輸出的光纖陀螺脈沖信號，通過對74L32（1）輸入狀態(tài)的改變，能夠?qū)Σ煌耐勇菝}沖信號進行模擬。

開關(guān)選擇電路的工作原理：J-K觸發(fā)器72LS107A在按下啟動開關(guān)之后，其輸出是高電平，清除端是低電平，并且74LS00（1）允許通過74LS393（1）輸出脈沖。74LS00（1）輸出的另外一路脈沖通過256×256×256分頻之后能夠被72LS107A的時鐘端所接收，當(dāng)下降沿出現(xiàn)的時候，74LS00（1）將禁止通過74LS393（1）輸出脈沖，并且72LS107A的輸出會反轉(zhuǎn)成低電平。在選擇開關(guān)接通地的時候，對應(yīng)反轉(zhuǎn)，則74LS00的負脈沖端輸出由74LS32（1）-P端產(chǎn)生的脈沖；在將+5V的電壓接通選擇開關(guān)的時候，對應(yīng)正轉(zhuǎn)，則74LS00的正脈沖端輸出由74LS32（1）-P端產(chǎn)生的脈沖；在把74LS32接通選擇開關(guān)的時候，對應(yīng)來回轉(zhuǎn)動，此時主要有以下3種輸出狀況：（1）輸出的正負脈沖數(shù)相同；（2）輸出的正脈沖數(shù)是負脈沖的三分之一；（3）輸出的負脈沖數(shù)是正脈沖的三分之一。

在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS221被下降沿所觸發(fā)的時候，將會輸出一個脈沖作為控制信號，這個脈沖的寬度是0.7×104。只有發(fā)出256次控制信號，才會從74LS00（1）允許通過74LS393（1）輸出脈沖的狀態(tài)轉(zhuǎn)變至74LS00（1）禁止通過74LS393（1）輸出脈沖的狀態(tài)。

3 光纖陀螺輸出信號計數(shù)卡的設(shè)計

在設(shè)計計數(shù)卡的時候以ISA總線設(shè)計為基礎(chǔ)，利用16位的I/O，達到輸入脈沖加減計數(shù)的功能，計數(shù)卡的主要組成部分包括地址譯碼電路、輸入接口電路、計數(shù)器三個部分。

3.1 地址譯碼電路的設(shè)計

選取的是開關(guān)式可選譯碼，因此接口卡的地址可以與不同的地址分配場合相適應(yīng)。電阻排是RP，DIP開關(guān)是SW。一片比較器74LS688被應(yīng)用其中，在設(shè)置端Q0-Q7的狀態(tài)和輸入端P0-P7的地址相同的時候，輸出P=Q為低。值得注意的是，74LS138要想實現(xiàn)譯碼的有效性，電路必須滿足的條件是AEN=0，A9=1。中斷方式是地址譯碼電路的數(shù)據(jù)輸入方式，使用的是IRQ3。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的光陀螺輸出信號模擬電路能夠?qū)馔勇葺敵鲂盘柕牟ㄐ芜M行精確的模擬，從而為計數(shù)卡提供較好的輸入測試信號。本文設(shè)計的計數(shù)卡具有較高的精度，并且電路比較簡單，利用此計數(shù)卡來測試實際陀螺可以發(fā)現(xiàn)此計數(shù)卡的工作狀態(tài)是正確可靠的。同等條件下，ISA總線中的16位I/O操作能夠有比8位I/O操作快2倍的傳送速度。

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