一種小型集成化光纖慣組的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉雪鋒

(湖北三江航天紅峰控制有限公司，湖北 孝感 432000)

提出了一種光纖慣組設(shè)計(jì)方案。該小型化光纖慣組具備以下特點(diǎn)：合理分配供電需求，減少電源板電源模塊所需種類(lèi)和數(shù)量；數(shù)據(jù)處理板只采用一個(gè)FPGA，實(shí)現(xiàn)了陀螺閉環(huán)處理、加表數(shù)據(jù)采集及慣組數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)裙δ?，減少了元器件和印制板；FPGA軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，集成陀螺閉環(huán)處理模塊、加表AD采集模塊和慣組誤差補(bǔ)償模塊，達(dá)到了減小產(chǎn)品體積重量、縮短生產(chǎn)周期、降低功耗和成本的目標(biāo)。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

針對(duì)慣性傳感器，現(xiàn)有的型號(hào)產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)能夠滿(mǎn)足要求，但在重量和體積上無(wú)法滿(mǎn)足指標(biāo)要求，必須采用多種集成化設(shè)計(jì)來(lái)減小產(chǎn)品的體積和重量。產(chǎn)品的主要技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑如下：

一是三軸光纖陀螺主要由光源組件、3個(gè)敏感環(huán)體組件、陀螺前放板電路組成，用于采集角速度信息并進(jìn)行信號(hào)調(diào)理放大；電源板主要由二次電源電路組成，為產(chǎn)品提供二次電源供電，并充分利用印制板空間集成了加速度信號(hào)放大和AD轉(zhuǎn)換電路；數(shù)據(jù)處理板集成了傳統(tǒng)陀螺主板閉環(huán)處理和加速度信號(hào)采集功能，實(shí)現(xiàn)了陀螺和加表的數(shù)據(jù)采集、補(bǔ)償處理和輸出；溫度傳感器用于采集產(chǎn)品的溫度信息及陀螺和加表的溫度補(bǔ)償。

二是對(duì)供電進(jìn)行合理分配。將陀螺供電+5 V和數(shù)據(jù)處理板供電+5 V合在一起，減少電源模塊數(shù)量，降低產(chǎn)品功耗，縮小產(chǎn)品體積，減輕產(chǎn)品重量；集成加速度信號(hào)處理板和電源板，集成陀螺主板和數(shù)據(jù)處理板，采用一個(gè)FPGA作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)慣組數(shù)據(jù)采集和處理；FPGA軟件集成陀螺閉環(huán)模塊、加速度信號(hào)處理模塊、慣組工具誤差補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償。

三是移除DSP芯片，將工具誤差補(bǔ)償與溫度補(bǔ)償放在FPGA中實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)補(bǔ)償計(jì)算公式進(jìn)行拆解，使用Xilinx公司提供的IP核floating-point 5.0，實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與計(jì)算，使用時(shí)鐘延時(shí)確保每一步計(jì)算的準(zhǔn)確性，使用狀態(tài)機(jī)完成所有計(jì)算，獲得最終結(jié)果。

1.2 原理設(shè)計(jì)

光纖慣組主要由三軸光纖陀螺、三軸加速度計(jì)、電源板、數(shù)據(jù)處理板和相關(guān)結(jié)構(gòu)件組成，其原理框圖如圖1所示。

圖1中各部分主要組成和功能如下：三軸光纖陀螺主要由光源組件、3個(gè)敏感環(huán)體組件、陀螺前放板電路組成，用于采集角速度信息并進(jìn)行信號(hào)調(diào)理放大；電源板主要由二次電源電路組成，為產(chǎn)品提供二次電源供電，并充分利用印制板空間集成了加速度信號(hào)放大和AD轉(zhuǎn)換電路；數(shù)據(jù)處理板集成了傳統(tǒng)陀螺主板閉環(huán)處理和加速度信號(hào)采集功能，實(shí)現(xiàn)了陀螺和加表的數(shù)據(jù)采集、補(bǔ)償處理和輸出；溫度傳感器用于采集產(chǎn)品的溫度信息，用于陀螺和加表的溫度補(bǔ)償。

圖1 光纖慣組原理框圖Fig.1 Principle block diagram of optical fiber array

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

產(chǎn)品主要結(jié)構(gòu)由光源組件、光纖環(huán)、電源板、數(shù)據(jù)處理板和相關(guān)結(jié)構(gòu)件組成，結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。從上到下分別為外罩、敏感組件、減振墊、數(shù)據(jù)處理板、電源板和底座，其中敏感組件包括三軸光纖陀螺、三軸加表、光源組件和前放板。敏感組件輸出信號(hào)與電路板之間通過(guò)接插件相連，數(shù)據(jù)處理板和電源板通過(guò)對(duì)插插座相連。

圖2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of product structure

1.4 光纖陀螺設(shè)計(jì)

光纖陀螺采用小型三軸一體化光纖陀螺，陀螺光路和光源板借用成熟型號(hào)產(chǎn)品，為了減小功耗、質(zhì)量和體積，將陀螺前放板供電由原來(lái)的±3.3 V改為±5 V，去掉了陀螺電源板，并將陀螺主板與慣組數(shù)據(jù)處理板進(jìn)行硬件和軟件的集成設(shè)計(jì)，光纖陀螺零偏穩(wěn)定性為0.2°/h，全溫零偏穩(wěn)定性達(dá)到0.5°/h。根據(jù)已生產(chǎn)陀螺統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，合格率可達(dá)95%以上。

1.5 電源板設(shè)計(jì)

產(chǎn)品電源板包括二次電源模塊和加表信號(hào)處理電路組成，其中二次電源模塊供電輸出如表1所示。加表信號(hào)處理電路采用ADS1210電路。

表1 二次電源供電輸出Tab.1 Secondary power supply output

1.6 數(shù)據(jù)處理板設(shè)計(jì)

產(chǎn)品數(shù)據(jù)處理板集成了陀螺主板陀螺AD轉(zhuǎn)換、DA轉(zhuǎn)換和后放電路。去掉數(shù)據(jù)處理板上的DSP，將DSP進(jìn)行的工具誤差補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償?shù)葦?shù)據(jù)處理通過(guò)FPGA乘法器實(shí)現(xiàn)，只使用一個(gè)FPGA芯片XC6SLX45-2CSG324I就完成了陀螺閉環(huán)處理、加表數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)補(bǔ)償輸出功能。

1.7 FPGA軟件設(shè)計(jì)

產(chǎn)品FPGA軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，陀螺閉環(huán)處理模塊借用3F080B光纖陀螺，加表信號(hào)采集模塊借用S1B光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。慣組工具誤差補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償模塊參考慣組DSP相關(guān)程序，通過(guò)乘法器和移位運(yùn)算實(shí)現(xiàn)FPGA軟件移植。

2 某型光纖陀螺穩(wěn)態(tài)熱分析

某型光纖陀螺主要由光纖環(huán)組件、外罩、光學(xué)器件、主板電路和光源板電路等構(gòu)成，如圖3所示。其中結(jié)構(gòu)件材料為硬鋁，包括繞制光纖環(huán)所用的光纖環(huán)、電路板的材料及一些細(xì)小構(gòu)件所用的塑料等。由于低成本需求，環(huán)組件未采取靜磁屏蔽措施，無(wú)骨架光纖環(huán)直接通過(guò)膠水粘接于陀螺底座上，其余部分通過(guò)螺釘固連。

圖3 某型光纖陀螺結(jié)構(gòu)方案實(shí)體模型Fig.3 Solid model of a fiber optic gyroscope structure scheme

為降低計(jì)算量，基于已獲得的準(zhǔn)確光纖陀螺結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型，根據(jù)各個(gè)部件對(duì)陀螺的發(fā)熱及熱傳導(dǎo)貢獻(xiàn)大小，對(duì)陀螺系統(tǒng)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，建立了陀螺系統(tǒng)的整體熱分析模型。實(shí)際計(jì)算中，光纖陀螺組成材料包括硬鋁、PCB印制板(FR4)、光纖環(huán)、塑料(光學(xué)器件)，材料參數(shù)如表2所示。

表2 陀螺熱分析材料參數(shù)Tab.2 Material parameters of gyroscope thermal analysis

將實(shí)際功耗轉(zhuǎn)為輸入載荷邊界條件施加在陀螺內(nèi)部的發(fā)熱器件上；內(nèi)部各零部組建間的接觸熱阻通過(guò)ANSYS摩擦接觸以經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行簡(jiǎn)化；而靜止空氣對(duì)流換熱系數(shù)一般設(shè)定為5～25 W/m2℃，結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，將仿真模型本體外表面與靜止空氣對(duì)流系數(shù)設(shè)為8.3 W/m2℃，將其作為散熱邊界條件計(jì)算室溫(20℃)狀態(tài)下此型光纖陀螺的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 某型光纖陀螺穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculation results of steady-state temperature field of a optical fiber gyroscope

根據(jù)計(jì)算可知，室溫環(huán)境下，陀螺整體溫度上升10.3℃～16.3℃，在大氣環(huán)境下系統(tǒng)升溫并不是很高，但是由光纖環(huán)溫度計(jì)算結(jié)果可知，溫度上升13.5℃～14.8℃，溫度場(chǎng)溫差為1.3℃左右，最高溫度點(diǎn)分布在離SLD光源較近部位。說(shuō)明以上結(jié)構(gòu)形式中，光纖環(huán)與陀螺結(jié)構(gòu)體的溫度有一定區(qū)別，且光纖環(huán)溫度梯度在軸向與徑向方向上一致性很差，這與陀螺結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的內(nèi)部熱傳導(dǎo)方向有關(guān)，且其環(huán)粘接面溫度稍高于上方溫度。

3 結(jié)語(yǔ)

低成本小型集成化光纖慣組是未來(lái)的發(fā)展要點(diǎn)，需開(kāi)展產(chǎn)品研制，以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。應(yīng)在光纖陀螺光路集成化、光路復(fù)用、一體化方面開(kāi)展研究，重視導(dǎo)航計(jì)算機(jī)與GPS集成化，以大大降低成本，縮小系統(tǒng)體積，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。