光纖陀螺(FOG)是以Sagnac效應(yīng)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的新型全固態(tài)陀螺儀，是一種無機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件的慣性測(cè)量元件，具有無運(yùn)動(dòng)和磨損部件、啟動(dòng)快、壽命長(zhǎng)、體積小、質(zhì)量輕、耐沖擊、精度高、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)越性能，廣泛用于軍事和民用工業(yè)等領(lǐng)域[1]。光纖陀螺的性能受眾多環(huán)境因素的影響，供電電壓、電流及環(huán)境溫度的變化是影響光纖陀螺性能的重要因素。對(duì)于這些影響光纖陀螺性能的因素進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，有助于系統(tǒng)的故障檢測(cè)和提高陀螺的使用精度，更重要的是對(duì)系統(tǒng)起到了一種實(shí)時(shí)保護(hù)作用。本文采用基于DSP的數(shù)字自動(dòng)監(jiān)測(cè)電路，分別對(duì)電源電壓、電流以及環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)通過接口電路發(fā)送到PC和溫控系統(tǒng)以及LCD顯示裝置。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)工作原理:通過對(duì)系統(tǒng)工作時(shí)的電源電壓、電流及環(huán)境溫度信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、A/D采樣、濾波算法、待測(cè)值計(jì)算算法等處理后得出系統(tǒng)的工作狀態(tài)。電壓信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理電路后可以直接進(jìn)行A/D采樣；電流信號(hào)先通過電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，再通過信號(hào)調(diào)理電路，最后經(jīng)A/D采樣；溫度信號(hào)由溫度傳感器AD590獲得，根據(jù)流過器件的電流(μA)等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度(開爾文)度數(shù)：I/T=1即1 μA/K，串聯(lián)一個(gè)電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，A/D采樣后,由電壓與溫度的關(guān)系得到溫度值。NTC熱敏電阻測(cè)溫時(shí),主要原理是通過測(cè)得電阻值后，根據(jù)熱敏電阻阻值與溫度的關(guān)系轉(zhuǎn)換成溫度值，所以，本系統(tǒng)采用四臂電橋法[2]來測(cè)量熱敏電阻的阻值。通過在高低溫試驗(yàn)箱里實(shí)際測(cè)得的幾組實(shí)驗(yàn)值， 使用MATLAB進(jìn)行曲線擬合得到電阻值與溫度的關(guān)系。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)是以DSP為核心建立起來的，由于設(shè)計(jì)中涉及與FPGA溫控系統(tǒng)通信、多路A/D同時(shí)采樣以及大量浮點(diǎn)型運(yùn)算，如果使用傳統(tǒng)的MCU設(shè)計(jì)很難滿足項(xiàng)目要求,因此選用DSP作為系統(tǒng)的主處理器，DSP不僅具有高速信號(hào)處理能力，同時(shí)也提供了豐富的片內(nèi)外設(shè)資源和I/O端口，有助于提高系統(tǒng)集成度，降低硬件電路的設(shè)計(jì)難度。

    4路信號(hào)首先經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后由DMA傳輸至DSP，處理器可以同時(shí)進(jìn)行A/D采樣以及對(duì)數(shù)據(jù)的綜合計(jì)算，計(jì)算結(jié)果通過串口返回上位機(jī)，溫度信息通過FPGA接口電路傳送到溫控系統(tǒng)，同時(shí)各種狀態(tài)信息通過 LCD 顯示?！?br/>2 硬件電路設(shè)計(jì)
　實(shí)驗(yàn)電路需要選取合適的處理器以及傳感器單元，同時(shí)由于傳感器及各功能模塊需要的工作電壓各不相同，因此需要設(shè)計(jì)專門的電源模塊為系統(tǒng)供電。此外，還需要設(shè)計(jì)各個(gè)接口電路。
2.1 DSP處理器選擇
　根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要,選擇TI公司最新推出的TMS320F28335浮點(diǎn)型數(shù)字信號(hào)控制器作為主處理器，該芯片既集成了控制系統(tǒng)所需要的豐富外設(shè)資源，又具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和優(yōu)秀的C編譯效率。與以往的頂點(diǎn)DSP相比，該芯片的計(jì)算精度高，成本低，功耗小，性能高，同時(shí)它的A/D轉(zhuǎn)換更精確快速，并且主頻高達(dá)150 MHz。
2.2 傳感器電路
　電源電流檢測(cè)采用Maxim公司生產(chǎn)的雙向、精密電流傳感放大器MAX471來實(shí)現(xiàn)。MAX471內(nèi)置35 ｍΩ精密傳感電阻,可測(cè)量電流的上下限為±3 A,通過外接2 kΩ電阻將被測(cè)電流轉(zhuǎn)化為對(duì)地的電壓。
　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩路溫度測(cè)量電路，一路為由AD590溫度傳感器構(gòu)成的溫度測(cè)量系統(tǒng)；另一路為由負(fù)系數(shù)熱敏電阻構(gòu)成的溫度測(cè)量系統(tǒng)。AD590溫度傳感器測(cè)溫范圍為：-55℃~+150℃，具有精度高，供電范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。負(fù)系數(shù)熱敏電阻的測(cè)溫范圍為-40℃~+70℃，規(guī)定在25℃時(shí)，它的電阻值約為10 kΩ，通過高低溫實(shí)驗(yàn)，測(cè)得不同溫度下電阻值。在MATLAB中擬合阻值與溫度關(guān)系曲線如圖2所示。

2.3  DSP與FPGA通信電路
　本系統(tǒng)測(cè)量的溫度值可作為光纖陀螺溫控系統(tǒng)的參考值，因此需要設(shè)計(jì)兩個(gè)系統(tǒng)的通信電路，以便有效及時(shí)準(zhǔn)確地將溫度信號(hào)傳送到FPGA溫控系統(tǒng)中。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的FPGA與DSP之間的無縫接口通過FPGA內(nèi)部的異步FIFO數(shù)據(jù)緩沖器[3]來實(shí)現(xiàn),如圖3所示。

    其工作原理:當(dāng)DSP有數(shù)據(jù)輸出時(shí),通過WR選通FIFO數(shù)據(jù)緩沖器并開始數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)FIFO數(shù)據(jù)緩沖器中接收的數(shù)據(jù)達(dá)到其容量的一半時(shí)，由FULL發(fā)出半滿“中斷”信號(hào)到FPGA的INTx，F(xiàn)PGA相應(yīng)“中斷”將一批數(shù)據(jù)取走；當(dāng)FPGA有數(shù)據(jù)輸出時(shí)，同樣是先將數(shù)據(jù)暫存在FIFO中，當(dāng)數(shù)據(jù)量達(dá)到其容量的一半時(shí)，由FULL發(fā)出半滿信號(hào)至DSP的INTx，DSP響應(yīng)"中斷"將一批數(shù)據(jù)取走，等待下一次中斷的到來。在這期間,DSP可以繼續(xù)執(zhí)行原來的算法程序，只需要在響應(yīng)下一次中斷時(shí)將數(shù)據(jù)取走即可，大大地提高了DSP的工作效率，更大程度上發(fā)揮了DSP和FPGA的性能，而且電路體積很小。
2.4 電源管理單元
    本設(shè)計(jì)中,各個(gè)功能模塊需要多種不同的電壓：+5 V為L(zhǎng)CD顯示供電，+3.3 V為DSP的I/O端口供電，+1.9 V為DSP內(nèi)核供電，+15 V和-15 V為運(yùn)放供電，+15 V為AD590供電,另外需要精密電源+5 V為熱敏電阻供電。所以，設(shè)計(jì)了專門的電路來產(chǎn)生系統(tǒng)所需的多種電壓，本系統(tǒng)外部輸入電壓為±15 V和+5 V。
    熱敏電阻所需要的精密+5 V電壓源選用REF02芯片，該芯片可以提供+5 V的精密參考電壓。由于DSP是有次序地上電，因此選用TI公司的專用供電芯片TPS767D301來產(chǎn)生DSP需要的+3.3 V和+1.9 V電壓。
2.5 其他電路設(shè)計(jì)
    串口通信單元主要完成電平轉(zhuǎn)換，協(xié)助DSP與上位機(jī)系統(tǒng)完成實(shí)時(shí)通信。此部分按照全雙工模式設(shè)計(jì)，應(yīng)用Maxim公司的全雙工RS485收發(fā)器MAX349，工作電壓為3.3 V，通信速率高達(dá)10 Mb/s。
    液晶顯示部分的主要功能為：顯示測(cè)量的正負(fù)電壓值、正負(fù)電流值、兩路溫度值以及系統(tǒng)提示、報(bào)警提示信息。本系統(tǒng)使用192×64點(diǎn)陣式液晶顯示器，8位并行的數(shù)據(jù)接口。但是要注意的是:這款LCD沒有內(nèi)置字庫，需要自行建立。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示，初始化后接收A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)結(jié)果，然后對(duì)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波算法處理，最后計(jì)算相應(yīng)的電壓、電流溫度值，并且將溫度值傳送給FPGA，所有的計(jì)算結(jié)果傳回PC并經(jīng)LCD顯示。

　軟件主要包括初始化程序、A/D采樣轉(zhuǎn)換、濾波算法、待測(cè)值計(jì)算算法、LCD顯示、串口通信等主要模塊。各模塊說明如下：
   (1) 初始化程序
　DSP上電初始化的主要工作有：配置看門狗定時(shí)器的初始化；配置鎖相環(huán)設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率；配置高速外設(shè)時(shí)鐘寄存器和低速外設(shè)時(shí)鐘寄存器，使能相應(yīng)外設(shè)的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘；初始化外設(shè)中斷擴(kuò)展控制器，使能部分外設(shè)的中斷請(qǐng)求；初始化PIE中斷向量表，使得中斷向量指向用戶編寫的中斷服務(wù)函數(shù)。
   (2) A/D轉(zhuǎn)換模塊
　DSP的A/D采樣模塊可配置為雙排序器同時(shí)采樣模式[4]，這樣可以對(duì)幾路模擬信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采樣。連續(xù)采樣N次,經(jīng)算術(shù)平均濾波算法處理后達(dá)到濾去隨機(jī)干擾信號(hào)的目的。
    (3) 待測(cè)值計(jì)算算法
    算法中要進(jìn)行求指數(shù)、對(duì)數(shù)等運(yùn)算，使直接調(diào)用庫函數(shù)中的相關(guān)運(yùn)算的執(zhí)行速度很慢，因此，在軟件開發(fā)中針對(duì)系統(tǒng)所需要的指數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)都重新編寫了運(yùn)算函數(shù)，采用查表和泰勒展開式結(jié)合的算法[5]，在滿足精度要求的前提下盡量縮短運(yùn)算時(shí)間。所采用的措施是用一些特殊點(diǎn)將所需計(jì)算的數(shù)值范圍劃分為不同區(qū)域，區(qū)域內(nèi)的值可用低階數(shù)的泰勒展開式獲得較高精度近似值，計(jì)算特殊點(diǎn)的值并且存儲(chǔ)為表格。這樣結(jié)合展開式和查表即可快速得到任意值的高精度近似值。
    (4) 串口通信
　上位機(jī)與下位機(jī)采用異步串口傳輸,波特率為115 200 b/s。上位機(jī)使用VB語言編寫串口通信及用戶界面。上位機(jī)程序軟件的作用是存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)。
    (5) LCD顯示模塊
    LCD顯示模塊程序算法如下：
    InitLCD();                            //LCD初始化；
    ResetLCD();                                //LCD復(fù)位；
    Clr_Screen();                                  //LCD清屏；
    SetStartLine(0x00);                        //LCD起始行；
        If(ReadStatus()!=1)
            WriteInstru (uchar instruc);
        If(ReadStatus()!=1) ;
               WriteData (uchar Data);
    Display(uchar Data,uchar Row,uchar Col);
    While(Ready==0);
    AD590測(cè)試結(jié)果如表1所示，NTC熱敏電阻測(cè)試結(jié)果如表2所示。

    本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)電源電壓的誤差為±0.002 V,監(jiān)測(cè)電源電流的誤差為±0.006 A，AD590的測(cè)溫電路的相對(duì)精度小于2.5%，熱敏電阻的測(cè)量精度也滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。因此,本系統(tǒng)具有精度高、實(shí)時(shí)、可靠等特點(diǎn)，可將光纖陀螺系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確并且直觀地顯示出來，和以往光纖陀螺系統(tǒng)相比,大大提高了光纖陀螺系統(tǒng)使用的可靠性和準(zhǔn)確性。
參考文獻(xiàn)
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