光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

叢明宇，鹿歡，吳昊翔

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

叢明宇，鹿歡，吳昊翔

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

主要研究了捷聯(lián)慣導(dǎo)的電源電路、信號(hào)采集電路和通訊電路的設(shè)計(jì)，通過(guò)分析捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)、光纖陀螺和撓性加速度計(jì)的特點(diǎn)，確定了光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)的硬件電路方案。

光纖陀螺；捷聯(lián)慣導(dǎo)；信號(hào)采集

0 引言

光纖陀螺是一種固態(tài)陀螺，相比傳統(tǒng)機(jī)械式陀螺，受到力學(xué)環(huán)境的影響很小，而且光纖陀螺具有精度較高、體積較小、動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍大、啟動(dòng)時(shí)間快等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天航海等領(lǐng)域。由于捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)是一種無(wú)物理平臺(tái)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，減少了硬件結(jié)構(gòu)，將慣性器件直接固連在載體上，可使體積和成本都大幅降低，但同時(shí)也帶來(lái)力學(xué)環(huán)境惡劣、各種干擾很嚴(yán)重等缺點(diǎn)，故對(duì)慣性器件和電子線路的要求較高。本文以光纖陀螺和石英撓性加速度計(jì)為慣性元件，加上相應(yīng)的電子線路，設(shè)計(jì)了光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)。因捷聯(lián)慣導(dǎo)需處理的數(shù)據(jù)量與力學(xué)編排解算計(jì)算量均較大，而導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求很高，因此，采用TI公司的高性能DSP芯片TMS320C6713作為導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，用高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7716將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以滿足捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的要求。

1 捷聯(lián)慣導(dǎo)的基本工作原理

捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)基本的工作原理如圖1所示，根據(jù)牛頓提出的慣性空間的力學(xué)定律，利用加速度計(jì)、陀螺儀等慣性測(cè)量元件感受載體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相對(duì)于慣性空間的加速度和角速度，而后從中提取運(yùn)動(dòng)載體相對(duì)某一選定的導(dǎo)航坐標(biāo)系（計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的“數(shù)學(xué)平臺(tái)”）的加速度信息；通過(guò)一次積分運(yùn)算（載體初速度已知）便得到載體相對(duì)導(dǎo)航坐標(biāo)系的即時(shí)速度信息；再通過(guò)一次積分運(yùn)算（載體初始位置已知）得到載體相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系的即時(shí)位置信息，并實(shí)施導(dǎo)航任務(wù)[1,2]。

2 光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的組成

光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)主要由三個(gè)光纖陀螺、三個(gè)加速度計(jì)以及硬件電路組成。

圖1 捷聯(lián)慣導(dǎo)基本原理框圖

陀螺和加速度的功能主要是敏感載體的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)和位置運(yùn)動(dòng)。

硬件電路的主要實(shí)現(xiàn)的功能有對(duì)陀螺和加速度信號(hào)的采集和處理、捷聯(lián)導(dǎo)航算法的解算、對(duì)溫度等信號(hào)的采集以及與上位機(jī)的通訊等。按照上述功能可以分為：

1）信號(hào)采集處理模塊主要對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中的模擬信號(hào)進(jìn)行采集包括陀螺和加速度輸出信號(hào)、溫度信號(hào)等；

2）計(jì)算模塊主要對(duì)陀螺和加速度信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，完成導(dǎo)航解算；

3）通訊模塊主要是與上位機(jī)通訊，以及和載體的其他系統(tǒng)的通訊；

4）電源模塊陀螺和加速度計(jì)所需精度較高，需要一個(gè)穩(wěn)定的供電電源。

3 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)[3-7]

3.1 電源電路

慣導(dǎo)中的電源主要由電源濾波器和電源轉(zhuǎn)換器組成。標(biāo)稱電壓為28V，但是實(shí)際上電源母線上給定的電壓有波動(dòng)，為此，采用DC/DC變換器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)。為了克服電壓波動(dòng)以及電源中斷產(chǎn)生的巨大沖擊電流，在電源輸入端加入瞬態(tài)抑制二極管，限制浪涌電流，對(duì)系統(tǒng)起到保護(hù)作用。電源濾波器將抑制電源線上的傳導(dǎo)干擾，同時(shí)，也能抑制系統(tǒng)內(nèi)部噪聲對(duì)外部信號(hào)的干擾，在系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)中極其重要。電源濾波器電路見(jiàn)圖2。

DSP芯片的外圍I/O口電壓為3.3V，內(nèi)核電壓為+1.2V，采用穩(wěn)壓電源模塊LT1764轉(zhuǎn)換出恒定的3.3V和1.2V。DC/DC模塊轉(zhuǎn)換出+5V電源為其他芯片和器件提供工作電壓。DSP電源電路見(jiàn)圖3。

圖2 電源濾波器電路

圖3 DSP電源電路

3.2 信號(hào)采集電路

捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)慣性器件的精度和信號(hào)的實(shí)時(shí)性要求很高。信號(hào)的采樣頻率體現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，其頻率由模擬信號(hào)帶寬、數(shù)據(jù)通道數(shù)和每個(gè)周期的采樣數(shù)決定，由奈奎斯特采樣定理可知，在每個(gè)數(shù)據(jù)帶寬周期內(nèi)，至少要對(duì)信號(hào)采樣兩次。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度取決于慣性器件的信號(hào)精度，并考慮量化誤差、噪聲以及溫漂等因素，采用22位的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7716。AD7716具有動(dòng)態(tài)范圍寬、高分辨率、低噪聲、低功耗，以及數(shù)字濾波功能等特點(diǎn)，每片具有4個(gè)通道A/D，用兩片AD7716即可滿足信號(hào)采集的要求。

在本文中，信號(hào)輸出形式為模擬式的光纖陀螺，石英撓性加速度計(jì)的輸出是電流輸出，先使用精密電阻將電流轉(zhuǎn)換成電壓，再通過(guò)運(yùn)算放大器將陀螺和加速度計(jì)的輸出信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換在±2.5V范圍，供AD芯片采集。

AD7716芯片工作電壓為5V，其內(nèi)部參考電壓為+2.5V，該電壓的穩(wěn)定性直接影響數(shù)字讀出的精度，采用高精度電壓基準(zhǔn)芯片ADR4525輸出參考電壓。AD7716的控制寄存器有16位，分為高8位和低8位，其中A3位置1，A2、A1、A0是地址位，在M0為0的情況下，通過(guò)接入相應(yīng)的高低電平來(lái)設(shè)置地址值，以區(qū)分多片芯片，通過(guò)設(shè)置FC2、FC1、FC0的值可以決定濾波的截止頻率，其它位在實(shí)際中沒(méi)有很重要的意義。AD7716有主從兩種工作模式，文中選用從工作模式，需要在MODE管腳接入高電平。同時(shí)兩片A/D芯片級(jí)聯(lián)，要將第一塊芯片的CASCOUT引腳接到第二塊芯片的CASCIN引腳，當(dāng)?shù)谝粔K芯片的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換讀取完成之后，其CASCOUT可以發(fā)送一個(gè)脈沖給下塊芯片，該芯片可以啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。

DSP上電復(fù)位后，給AD7716一個(gè)復(fù)位信號(hào)，AD7716開(kāi)始啟動(dòng)，通過(guò)CLKIN線給AD7716提供一個(gè)采樣時(shí)鐘，再通過(guò)TFS口提供一個(gè)下降沿將其線拉成電平，同時(shí)，通過(guò)SCLK線提供串口時(shí)鐘，在每個(gè)SCLK的下降沿將控制字由SDATA線送入AD7716的控制寄存器?？刂谱謱?xiě)完后把TFS再拉回高電平，同時(shí)，又通過(guò)DSP內(nèi)部程序模塊啟動(dòng)AD信號(hào)接收，把RFS拉成低電平，這樣，DSP會(huì)在DRDY低電平期間，在SCLK的上升沿通過(guò)SDATA線接受轉(zhuǎn)換結(jié)果。當(dāng)?shù)谝黄酒瑐魉屯贽D(zhuǎn)換結(jié)果后，再通過(guò)CASCOUT發(fā)送一個(gè)脈沖給第二片芯片CASCIN，第二片芯片向DSP傳送轉(zhuǎn)換結(jié)果。兩片AD7716級(jí)聯(lián)以及基本原理圖如圖4所示。

圖4 AD7716級(jí)聯(lián)工作電路

慣性器件的輸出數(shù)據(jù)存在漂移和野值，在DSP中需要對(duì)其進(jìn)行處理，對(duì)漂移進(jìn)行補(bǔ)償，野值進(jìn)行分析去除，以提高慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度。在慣導(dǎo)中，安裝誤差以及電子線路帶來(lái)的影響也需要在DSP中進(jìn)行處理，通過(guò)標(biāo)定和誤差補(bǔ)償，來(lái)提高慣性器件的輸出信號(hào)精度。

3.3 通訊電路

通訊模塊主要是與上位機(jī)通訊，采用為異步串行通訊的RS232接口，通訊芯片為MAX232。通過(guò)與DSP的MCBSP口連接實(shí)現(xiàn)全雙工異步串行通訊。

MAX232具有一個(gè)SPI接口以及一個(gè)RS-232標(biāo)準(zhǔn)的異步收發(fā)器，所以只要通過(guò)軟件設(shè)置TMS320C6713的MCBSP工作在SPI模式，便可通過(guò)MAX232在它與PC機(jī)之間建立一個(gè)通信的橋梁，實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)傳輸。

通過(guò)EDMA可以對(duì)MCBSP進(jìn)行讀寫(xiě)操作，以完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收.數(shù)據(jù)接收寄存器(DRR)及數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器(DXR)是可以被尋址的，從DRR中讀取接收到的數(shù)據(jù)，向DXR中寫(xiě)入待發(fā)送的數(shù)據(jù)。再將數(shù)據(jù)通過(guò)發(fā)送移位寄存器(XSR)移出到DX腳；在DR腳接收到的數(shù)據(jù)被移人到接收移位寄存器(RSR)，然后被裝入接收緩沖寄存器(RBR)，RBR再將數(shù)據(jù)裝入DRR。如圖5所示。

圖5 通訊電路

4 結(jié)語(yǔ)

光纖陀螺以其優(yōu)異的性能在軍民領(lǐng)域中運(yùn)用越來(lái)越廣，尤其適合在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中使用。本文通過(guò)對(duì)光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)的工作原理以及其系統(tǒng)組成分析，針對(duì)系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用了DSP+AD的方案，對(duì)光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

[1]秦永元.慣性導(dǎo)航.北京：北京科學(xué)出版社. 2009.

[2]Lee J G,Park C G,Park H W.Multiposition alignment of strapdowninertialnavigationsystem. IEEETransactionsonAerospaceandElectronic Systems.1993.

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[4]楊金顯,袁贛南,徐良臣.MIMU系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2007,27(3)：47-49.

[5]陳淑英,余建光.纖陀螺測(cè)斜儀用加速度計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].導(dǎo)航與控制,2012,11(4)：64-66,63.

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[7]楊梟.光纖陀螺捷聯(lián)導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2007.

>>>作者簡(jiǎn)介

叢明宇，男，1983年9月出生，2007年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)，工程師，現(xiàn)從事飛行器設(shè)計(jì)工作。

Hardware Design of Fiber-optic Gyro Strapdown Inertial Navigation System

Cong Mingyu,Lu Huan,Wu Haoxiang
(AVIC Hongdu Aviation Industry Group,Nanchang,Jiangxi,330024)

This paper mainly studies the design of power circuit,signal acquisition and communication circuits of strapdown inertial navigation,with analysis on features of strapdown inertial navigation system,fiber-optic gyro and flexure accelerometer,the plan for hardware circuit of fiber-optic gyro strapdown inertial navigation has been determined.

fiber-optic gyro;strapdown inertial navigation;signal acquisition

2015-12-26）