基于DSP和CPLD的光纤陀螺信号采集系统设计

摘要：随着光纤陀螺在空空导弹中的广泛应用，为了对其特性进行深入研究，设计了一种光纤陀螺信号采集系统。硬件结构采用了DSP+CPLD的方式，控制AD芯片完成多路光纤陀螺数据的采集。为了降低干扰对采集精度的影响，在硬件以及软件方面进行了抗干扰设计。通过对该系统的测试验证，性能指标满足使用要求。本系统设计新颖、实用，操作简单快捷。
关键词：光纤陀螺；DSP；CPLD；信号采集系统

0 引言
    光纤陀螺作为一种新型的惯性器件，近年来得到越来越多的关注，因为它有许多其他陀螺无法比拟的优越性，比如结构简单，精度高，动态范围大，抗电磁干扰，无加速度引起的漂移且成本低，可靠性好等。陀螺可以为载体提供准确的角速度和角位移等信号，完成对运动体的姿态和运动轨迹控制。其优良的品质使自身能够满足军工和民用对惯性器件苛刻的要求，并得到广泛的应用。
    惯性器件的性能直接影响到控制系统本身的稳定性能，所以光纤陀螺被应用到空空导弹中时，需要对陀螺的特性有充分的了解，为此构建了一个陀螺采集系统，以实现对陀螺信号的采集及特性分析。

1 光纤陀螺的工作原理
    光纤陀螺是激光陀螺的一种，其基本原理基于Sagnac效应，即用光纤绕制成环柱形光路，光源发出的光经过分束器分为两束之后，送到光纤中，随着陀螺的转动，分别沿顺时针和逆时针方向传输，经过一周后，这两束相反方向传播的光回到分束器中形成干涉，当光纤形成的环状回路不转动时，顺、逆光程到达分束器的时间相等，两束光的相位差为零；当环状回路转动时，顺、逆光程就产生差异，在一段时间内分束器已从A点转到了A’点，对顺时针传播的光束，当它再次到分束器时多走了AA’的路程(如图1所示)。可以根据两束光的相位差来获得回路转动的角速度。光纤的检测灵敏度和分辨率比激光陀螺提高了几个数量级。

2 系统构成及其工作原理
    本文设计的信号采集系统通过双口RAM实现上位机与DSP的通信，控制板采用DSP+CPLD的方式，控制AD芯片完成多路光纤陀螺数据的采集。系统工作流程为DSP接收到上位机通过双口RAM传来的采集指令，通过地址／数据总线与CPLD进行通信，控制AD芯片对外部的多路陀螺信号进行采集，之后通过双口RAM送到上位机，上位机实现各种图形界面操作和后端信号处理，对所采集的信号进行分析。系统原理框图如图2所示。

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3 系统硬件结构
    系统主要由DSP芯片TMS320F2812、双口RAMCY7C131，CPLD芯片EPM7128T1100、ADC芯片ADS8364以及传感器信号调理电路组成。
    DSP主要负责与上位机通信，以及和CPLD共同控制AD实现对多路光纤陀螺数据的采集，这里选用TI公司生产的TMS320F2812。该芯片专门为控制系统应用而设计，它采用1．8 V的内核电压，具有3．3 V的外围接口电压，片内存储容量为18 KB SRAM，128 KB FLASH，最高主频150 MHz，片内集成有多种外设接口。
    双口RAM主要输出数据采集指令并接收DSP传送的陀螺值。选用的双端口RAM型号为CY7C131，采用5 V供电，容量为1K×8 b，实际使用数据交换区为256×8 b。在256 B的存储空间内分为两个数据区，一个数据区(A)存放上位机下发的指令信息，另一个数据区(B)存放采集的陀螺数据信息。由于控制DSP与上位机对双口RAM的读写速度不同，为防止由于速度不匹配造成的读写冲突，在软件中相应的存储区设置读写标志位，通过此标志位来确定双端口RAM的读写状态。
    在本系统中，CPLD是一个重要的组成部分，由CPLD组成的逻辑控制模块接收DSP传送过来的动作命令，控制AD某通道进行数据采集。这里选用Altera公司的EPM7128芯片。CPLD作为一个单独的控制执行结构，通过编写相应VHDL代码，即可生成相应的操作电路，实现对各种输入信号的锁存、判断和对控制信号的执行。
    A／D转换芯片选用TI公司的高速、低功耗、六通道同步采样的16 b转换器ADS8364，可保证采样精度达到12位以上。芯片内部包含六个采样保持器，可保证六路信号同时采样；信号输入范围为0～5 V，最大转换速度250K，可以满足电位计、旋变信号采集速度和精度的要求。并且数字逻辑电平为3．3 V。考虑到数据采集处理系统的采样频率一般较高，如果用DSP直接控制ADS8364的访问，将占用DSP较多的资源，同时对DSP的实时性要求也较高。因此在本系统设计中，用CPLD实现ADS8364的接口控制电路。
    陀螺模拟信号是-5～+5 V差分信号，通过信号调理，转化到0～5 V之间。当转速低的时候，因受系统影响信号上有毛刺，需要进行滤波，设计一个RC低通滤波电路去掉高频干扰即可。

4 系统软件流程
    系统中DSP软件代码主要由两部分组成：与上位机通信和对陀螺信号的采集。软件开发在CCS3．1(Code Composer Studio)中进行。TMS 320F2812的主程序流程如图3所示。

    系统上电后，首先完成DSP中各个寄存器的初始化，包括配置RAM模块，设置定时器、中断等，然后系统进入循环等待状态。进入中断，首先对双口RAM进行查询，监测是否有采集指令下发，如果有，则启动A／D，然后把数据通过双口RAM传给上位机，否则返回循环等待状态。
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5 系统抗干扰设计
    为了保证控制系统工作时的稳定性和可靠性，在系统设计时应充分考虑到系统工作时的各种干扰情况，避免在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施。电路板上每个IC的每个电源引脚要并接一个0．1μF高频电容，以减小IC对电源的影响；控制系统的驱动部分和控制部分应完全隔离，在控制信号加到驱动模块时应采用光耦隔离；对于大电流，频繁切换的元件，为了有效地减少由于发热引起的不稳定，在芯片上加上散热片；PCB布线时，电源线和地线要尽量粗，除减小压降外，更重要的是降低耦合噪声。数字地和模拟地的隔离，最后在一点接到一起等等。总之在设计中尽可能提高系统的抗干扰能力。

6 试验验证及分析
    试验结果表明本采集系统能够获得高精度的光纤陀螺信号，图4是系统在静止状态测试到的陀螺数据，图5为系统在振动试验时测试到的数据(比例尺为100：1)。从图中可以获得不同量级振动对陀螺性能的影响，可以根据此数据进行后续的频谱分析或者噪声量化处理。

7 结论
    本光纤陀螺采集系统设计新颖，对信号采集设计有非常重要的意义。系统使用方便快捷，可以满足日常的研究需要，后续可以在软件中增加滤波对采集来的数据进行处理，使采集到的数据更有研究价值，使用更加便利。