單軸旋轉(zhuǎn)光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)?

（海軍工程大學(xué)導(dǎo)航工程教研室 武漢 430033）

1 引言

慣性導(dǎo)航是完全自主，可以提供速度、位置、姿態(tài)等全部導(dǎo)航信息的導(dǎo)航方式，由于它的自主性、不易受外界干擾且不向外輻射能量等特點(diǎn)，其在導(dǎo)航領(lǐng)域的地位是不可被取代的。光纖陀螺利用光學(xué)回路代替了機(jī)電陀螺的轉(zhuǎn)子，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、啟動(dòng)快、價(jià)格低、體積小等特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，光纖陀螺技術(shù)日趨成熟。目前光纖陀螺慣導(dǎo)在國(guó)內(nèi)發(fā)展迅速，未來(lái)將會(huì)逐步取代激光陀螺和傳統(tǒng)機(jī)械陀螺慣導(dǎo)，主宰戰(zhàn)略級(jí)領(lǐng)域［1～4］。

由于光纖陀螺慣導(dǎo)應(yīng)用前景廣闊，對(duì)其研究越來(lái)越廣泛，實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備設(shè)計(jì)制作一套光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)，更加深入研究慣導(dǎo)結(jié)構(gòu)，工作流程，程序和電路設(shè)計(jì)等，并用于今后的研究和測(cè)試。良好的電路設(shè)計(jì)是構(gòu)建慣導(dǎo)系統(tǒng)、提高系統(tǒng)可靠性和適用性的關(guān)鍵因素之一［5］。本文基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制光纖陀螺慣導(dǎo)工作原理［6］，構(gòu)建了系統(tǒng)硬件的整體框架，并由此設(shè)計(jì)光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)主要電路。

2 光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)

光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1）利用光纖陀螺和撓性加速度計(jì)作為慣性測(cè)量部件（IMU），采用單軸旋轉(zhuǎn)方案，將天向陀螺固定在系統(tǒng)框架上，水平方向的陀螺和三個(gè)加速度計(jì)安裝在電機(jī)控制的水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，繞天向軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2）加速度計(jì)輸出為電流模擬信號(hào)，為了便于準(zhǔn)確傳輸和測(cè)量，將其轉(zhuǎn)換成脈沖頻率信號(hào)，因此設(shè)置I/F轉(zhuǎn)換單元［7］。設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換單元，將采集的加速度計(jì)溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。

3）陀螺輸出信號(hào)和溫度信號(hào)為數(shù)字脈沖信號(hào)，可以直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)。

4）計(jì)算機(jī)完成對(duì)陀螺和加速度計(jì)輸出的脈沖計(jì)數(shù)，溫度、電機(jī)轉(zhuǎn)角等數(shù)據(jù)的采集，并通過(guò)RS-232接口與顯控部件通訊，發(fā)送導(dǎo)航信息，接收控制指令，同時(shí)可接收外部GPS信號(hào)，根據(jù)用戶指令，實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)/GPS組合導(dǎo)航。

5）整個(gè)系統(tǒng)由外部+27V供電，內(nèi)部電機(jī)、陀螺、加速度計(jì)和電路板等不同部件需轉(zhuǎn)換成±5V、±15V、5V等供電電壓。

為保證系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)、合理布局，將系統(tǒng)電路分為如下幾個(gè)板件：

1）電源/電機(jī)控制板，為系統(tǒng)各部件供電，實(shí)現(xiàn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)控制，接收光柵信號(hào)等。

2）計(jì)算機(jī)板，實(shí)現(xiàn)陀螺和加速度計(jì)脈沖計(jì)數(shù)，溫度采集，完成陀螺和加速度計(jì)信號(hào)預(yù)處理，完成初始對(duì)準(zhǔn)、導(dǎo)航解算，發(fā)送系統(tǒng)導(dǎo)航顯控信息。

3）加速度計(jì)I/F轉(zhuǎn)換板，將加速度計(jì)輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)。

4）加速度計(jì)溫度信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換板，將加速度計(jì)溫度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

5）信號(hào)轉(zhuǎn)接板，完成供電和信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

6）母線板，實(shí)現(xiàn)各電子電路板的線路集成、分配。

其中，電源/電機(jī)控制板、計(jì)算機(jī)板是整個(gè)系統(tǒng)的核心電路，為系統(tǒng)供電，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)停、完成實(shí)時(shí)大量數(shù)據(jù)的采集、處理，這對(duì)于電路連接設(shè)計(jì)提出了很高的要求。本文將介紹電源/電機(jī)控制板、計(jì)算機(jī)板的設(shè)計(jì)。

3 電源/電機(jī)控制板電路設(shè)計(jì)

電源/電機(jī)控制板分為電源模塊和電機(jī)控制模塊，下面分別介紹這兩個(gè)模塊的電路設(shè)計(jì)。

3.1 電源模塊

3.1.1 系統(tǒng)供電方案設(shè)計(jì)

電源模塊的實(shí)現(xiàn)如圖2所示。外部輸入電壓為+27V，經(jīng)無(wú)源濾波后，為電機(jī)供電，經(jīng)電源模塊轉(zhuǎn)換后為系統(tǒng)其它部分供電：±5V為陀螺供電，±15V為加速度計(jì)和I/F板供電，5V為I/F板、光柵、計(jì)算機(jī)板和GPS板等供電。

圖2 電源模塊結(jié)構(gòu)

電源模塊的選擇不僅要考慮模塊本身的各項(xiàng)性能，還要考慮電源模塊對(duì)于本系統(tǒng)的功率余度?；诖?，本文選用北京某公司軍品級(jí)產(chǎn)品，型號(hào)為CG40-24D05&05、CG40-24D15&15、CJ15-24S05。用于三個(gè)光纖陀螺供電的CG40-24D05&05模塊的功率為40W，三個(gè)光纖陀螺總功率不大于24W。用于三個(gè)加速度計(jì)和I/F板供電的CG40-24D15&15模塊的功率為40W，三個(gè)加速度計(jì)功率小于7.2W，I/F板功率小于6W，總功率小于13.2W。CJ15-24S05模塊功率為15W，供電各模塊及功耗如表1所示。

3.1.2 電路實(shí)現(xiàn)

外部輸入的+27經(jīng)過(guò)濾波電路、肖特基二極管MBR20100整流后，分別進(jìn)入三個(gè)電源模塊，以CG40-24D05&05模塊為例，其為兩路輸出，共用一個(gè)地端AGND，TRIM用于調(diào)節(jié)輸出電壓大小。如圖3所示。

系統(tǒng)計(jì)算機(jī)通過(guò)自帶的A/D采樣模塊對(duì)電源模塊輸出的6種電壓信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，如發(fā)現(xiàn)異常，則通過(guò)TQ2-5V繼電器切斷相應(yīng)的線路以保證芯片器件的安全，如圖4所示（以27V輸入電壓為例）。

圖4 繼電器電路

為了抑制共模信號(hào)，提高抗干擾性能，在電壓信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)前，采用共模抑制比（CMCC）較大的AD8221儀表放大器放大，令傳遞函數(shù)G=1，此時(shí)CMCC為80dB以上，信號(hào)放大電路如圖5所示。

圖5 電壓信號(hào)放大電路

3.2 電機(jī)控制模塊

3.2.1 總體設(shè)計(jì)

電機(jī)控制模塊采用TI公司的DSP芯片TMS320F28335 作為控制芯片［8］，稱(chēng)為 DSP_A。DSP_A芯片根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)速和光柵反饋的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行PID計(jì)算，產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM波，PWM波經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)控制模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示，DSP電源為DSP_A設(shè)計(jì)供電方案；晶振為DSP_A提供30MHz時(shí)鐘頻率，內(nèi)部倍頻到150MHz；DSP_A通過(guò)CAN總線與主計(jì)算機(jī)通信。

圖6 電機(jī)控制模塊結(jié)構(gòu)

3.2.2 CAN總線通信

電機(jī)控制DSP_A向主計(jì)算機(jī)發(fā)送電機(jī)轉(zhuǎn)角和電壓檢測(cè)信號(hào)，它們之間的通信通過(guò)CAN總線完成，通過(guò)總線收發(fā)器VP230實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。為減少通過(guò)下拉一個(gè)10K電阻，使VP230工作在斜率控制模式，雖然通信速率有所下降，但是穩(wěn)定性得到提高。電源由L2937穩(wěn)壓器提供，因此不需要另接參考電源，如圖7所示。

圖7 CAN總線收發(fā)器配置方案

3.2.3 3DSP電源

為了降低電子產(chǎn)品的功耗，如今各大芯片生產(chǎn)商普遍采用多電源供電技術(shù)，如該電路使用的DSP芯片TMS320F28335工作于150MHz頻率時(shí)需要內(nèi)核電壓1.9V，IO電壓為3.3V。此外系統(tǒng)的上電順序?qū)ο到y(tǒng)的影響較大，也是一個(gè)需要考慮的問(wèn)題，一般要求1.9V先于3.3V或同時(shí)上電［8］。因此，本文采用TPS767D301對(duì)DSP芯片電源進(jìn)行管理。TPS767D301是TI公司推出的一款雙路低壓差電源調(diào)整器，具有單獨(dú)供電的雙路輸出，一路固定輸出電壓為3.3V，另一路輸出電壓可以調(diào)節(jié)，范圍是1.5V～5.5V，兩路調(diào)整器有各自的使能管腳，可單獨(dú)供電，并分別輸出，亦可一起供電。這些特點(diǎn)均與TMS320F28335的要求相符，采用TPS767D301給TMS320F28335供電的方案如圖 8所示［9］，其中VDDIO為IO電壓，VDD為內(nèi)核電壓，通過(guò)兩個(gè)電位器調(diào)節(jié)大小，復(fù)位引腳28接高電平，并可通過(guò)按鍵控制復(fù)位，此復(fù)位信號(hào)亦連接至DSP的復(fù)位管腳，即按下按鍵后供電芯片和DSP均復(fù)位。

3.2.4 電機(jī)控制

電機(jī)控制采用LMD18200芯片，該芯片通過(guò)PWM、DIR、EN三個(gè)引腳端口的輸入控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，通過(guò)OUT1和OUT2兩個(gè)輸出端口直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。PWM、DIR、EN三個(gè)端口電平與電機(jī)正反轉(zhuǎn)的關(guān)系如表2所示。其中H表示高電平，L表示低電平，X表示任意電平。

將PWM端置為高電平，DIR和EN信號(hào)由DSP芯片經(jīng)總線收發(fā)器54LS245和數(shù)字隔離器ADUM1400BRW輸入，DIR端輸入的PWM波通過(guò)不同的占空比控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速［10］，如圖9所示。

表2 LMD18200引腳邏輯與電機(jī)轉(zhuǎn)向關(guān)系

圖9 LMD18200電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3.2.5 光柵信號(hào)采集

圖10 SN75175差動(dòng)接收器電路

光柵輸出 RESR_A+、RESR_A-、RESR_B+、RESR_B-、RESR_I+、RESR_I-六路差分脈沖信號(hào)，經(jīng)差動(dòng)線路接收器SN75175接收，10位雙向總線開(kāi)關(guān)芯片74CBTD3384進(jìn)行5V到3.3V的電平轉(zhuǎn)換后分別為EQEP1A、EQEP1B、EQEP1I三路脈沖輸入DSP芯片。其中EQEP1A和EQEP1B相位差為90°，兩者相位關(guān)系決定電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向信息，配合定時(shí)器/計(jì)數(shù)器可得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速，EQEP1I用于標(biāo)記初始位置。光柵信號(hào)接收如圖10所示。

4 計(jì)算機(jī)板電路設(shè)計(jì)

4.1 總體設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)板主要由兩塊DSP芯片組成，分別為預(yù)處理計(jì)算機(jī)DSP_B和導(dǎo)航計(jì)算機(jī)DSP_C，其結(jié)構(gòu)如圖11所示，其中曲線框內(nèi)為計(jì)算機(jī)板。

圖11 計(jì)算機(jī)板結(jié)構(gòu)

CPLD脈沖計(jì)數(shù)單元通過(guò)軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)陀螺和加速度計(jì)輸出脈沖的計(jì)數(shù)。DSP_B是整個(gè)系統(tǒng)的主計(jì)算機(jī)，將采集到的陀螺和加速度計(jì)信號(hào)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，將坐標(biāo)分解結(jié)果以及檢測(cè)到的系統(tǒng)故障傳給DSP_C，此外DSP_B通過(guò)CAN總線接收來(lái)自DSP_A的電機(jī)轉(zhuǎn)角和電源檢測(cè)信號(hào)。DSP_C完成導(dǎo)航解算，并將解算結(jié)果和DSP_B送來(lái)的故障信息傳給上位機(jī)顯示，同時(shí)可接收外部GPS信號(hào)，根據(jù)控制指令實(shí)現(xiàn)慣性/GPS組合導(dǎo)航。DSP_B電源和DSP_C電源分別為DSP_B和DSP_C設(shè)計(jì)了供電方案。溫度采集單元采集加速度計(jì)和陀螺溫度信號(hào)。晶振為芯片提供時(shí)鐘信號(hào)。

其中DSP芯片間的CAN總線通信以及DSP芯片的供電方案前文已經(jīng)闡述，不再贅述。

圖12 MAX3223用于TTL與RS-232電平轉(zhuǎn)換

DSP_C與顯控部件、GPS板通過(guò)RS-232串行接口實(shí)現(xiàn)通信，芯片的TTL電平到RS-232電平轉(zhuǎn)換采用MAX3223芯片實(shí)現(xiàn)，如圖12所示。

4.2 CPLD脈沖計(jì)數(shù)

本文采用Altera公司開(kāi)發(fā)的CPLD芯片EPM1270實(shí)現(xiàn)對(duì)陀螺和加速度計(jì)的脈沖計(jì)數(shù)，它具有編程靈活、運(yùn)行速度快、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期短等特點(diǎn)［11］。

脈沖計(jì)數(shù)單元接收來(lái)自I/F轉(zhuǎn)換板的加速度計(jì)脈沖和來(lái)自陀螺直接輸出的脈沖，由10位雙向總線開(kāi)關(guān)芯片74CBTD3384進(jìn)行5V到3.3V的電平轉(zhuǎn)換，通過(guò)EPM1270編程實(shí)現(xiàn)信號(hào)的脈沖計(jì)數(shù)，而后進(jìn)入DSP_B進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。EPM1270的內(nèi)核電源和IO電源由AMS1117-3.3穩(wěn)壓器提供，時(shí)鐘頻率由外部30MHz晶振提供。

4.3 溫度采集

圖13 加速度計(jì)溫度信號(hào)AD轉(zhuǎn)換電路

溫度采集單元用于采集陀螺和加速度計(jì)的溫度信號(hào)。其中陀螺溫度為數(shù)字信號(hào)，可直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)處理，加速度計(jì)的溫度為電流信號(hào)，需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，采集的電流信號(hào)經(jīng)精密電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，而后經(jīng)AD8221BR儀表放大器放大后由AD7738進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換［12］，由AD780BR為其提供2.5V參考電壓，6.144M晶振為其提供時(shí)鐘頻率。加速度計(jì)溫度信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換電路如圖13所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于慣性導(dǎo)航及電路原理，設(shè)計(jì)了單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及電路，重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)中電源/電機(jī)控制板和計(jì)算機(jī)板電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了慣導(dǎo)系統(tǒng)陀螺和加速度計(jì)的脈沖計(jì)數(shù)，溫度信號(hào)采集，導(dǎo)航解算和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的控制。