一種動力調(diào)諧陀螺脈沖力反饋及脈沖計(jì)數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：給出一種動力調(diào)諧陀螺的測試電路，采用SOPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了測試記數(shù)功能。首先介紹了陀螺脈沖力反饋再平衡回路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，然后給出了一種基于Altera公司SOPC的嵌入式力矩脈沖計(jì)數(shù)系統(tǒng)接口的設(shè)計(jì)，簡單介紹了SOPC的特點(diǎn)。詳細(xì)討論了脈沖頻率計(jì)數(shù)系統(tǒng)在硬件和軟件方面的設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)方法，同時給出了設(shè)計(jì)流程圖和仿真波形圖，最后給出了仿真結(jié)果。

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關(guān)鍵詞：動調(diào)陀螺；SOPC；Nios;脈沖計(jì)數(shù)；力反饋

中圖分類號：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)09-189-02

Design of Dynamically Tuned Gyro Digital Rebalance and Pulse Counter System

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MAO Ben，GAO Renwei，XU Kebing

(College of Automation，Harbin Engineering University，Harbin，150001，China)

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Abstract：This article gives a circuit to test the Dynamically Tuned Gyro(DTG) using SOPC technique.First the design of digital rebalance circuit is given and presents a design of pulse counter system based on embedded SOPC of Altera.The features of Altera SOPC are introduced briefly.The theory and implementation of frequency test system in the aspects of both hardware and software are discussed in detail.Finally the diagram and the result of simulation are demonstrated.

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Keywords：dynamically tuned gyro;SOPC;Nios;pulse counter；rebalance

動力調(diào)諧陀螺是一種利用撓性支承陀螺轉(zhuǎn)子，并將陀螺轉(zhuǎn)子與驅(qū)動電機(jī)隔開，其撓性支撐的彈性剛度是由支撐其本身產(chǎn)生的動力效應(yīng)來補(bǔ)償?shù)摹Ｋ麖V泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、坦克、火箭、航天器、導(dǎo)航與定位等領(lǐng)域，是陀螺技術(shù)發(fā)展史上具有重大革新和突破的第三代慣性級精密陀螺。本文將介紹該陀螺的力反饋電路及其脈沖記數(shù)電路的實(shí)現(xiàn)方法。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

硬件包含兩部分：動力調(diào)諧陀螺(DTG)脈沖力反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)和基于SOPC的數(shù)據(jù)采集部分設(shè)計(jì)。

1.1 動力調(diào)諧陀螺(DTG)脈沖力反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。動力調(diào)諧陀螺，力矩器和信號器在硬件結(jié)構(gòu)上是集成為一體的。

圖1 動力調(diào)諧陀螺脈沖力反饋系統(tǒng)框圖

利用力反饋回路實(shí)現(xiàn)對動力調(diào)諧陀螺的鎖定，由陀螺漂移及輸入角速率產(chǎn)生相應(yīng)信號器輸出控制陀螺儀力矩器中主線圈中模擬電流的大小，信號器輸出經(jīng)過前置放大，濾波和PID校正后送到脈沖調(diào)寬電路，與產(chǎn)生的三角波進(jìn)行合成。陀螺正轉(zhuǎn)時，三角波脈沖寬度增加；陀螺反轉(zhuǎn)時，三角波脈沖寬度減少。通過測量正負(fù)通道的脈沖數(shù)量來測得陀螺的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。以下重點(diǎn)介紹三角波產(chǎn)生電路，其原理圖如圖2所示。

圖2 三角波產(chǎn)生器原理圖

三角波產(chǎn)生器采用雙電源±15 V供電，2Q端口輸出的是CD4060脈沖源產(chǎn)生的5分頻正脈沖信號，由于Q1接成射集跟隨器形式，經(jīng)三級管Q1射集產(chǎn)生的是同步脈沖信號，其輸入三級管Q2的基集，高電平時Q2導(dǎo)通電容充電，低電平截止時電容放電。電容反復(fù)充放電產(chǎn)生三角波，其周期與時鐘脈沖周期相同。放大器提供穩(wěn)定電壓參考值， PNP型復(fù)合管Q6與放大器組成恒流源對電容充電。Q3也接成射集跟隨器，射集輸出與時鐘脈沖信號同步的三角波信號，經(jīng)過RC積分電路產(chǎn)生具有正負(fù)脈沖形式的三角波信號。將陀螺輸出信號經(jīng)過放大、濾波、教正后與三角波比較，從而產(chǎn)生調(diào)寬波控制極性開關(guān)給力矩器加電流。

1.2 SOPC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

SOPC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對陀螺力反饋脈沖數(shù)的采集。SOPC (System on a Programmable Chip，片上可編程系統(tǒng))是Altera公司推出的一種靈活、高效的解決方案。Altera公司的Quartus Ⅱ軟件提供了可編程片上系統(tǒng)(SOPC)的一個綜合開發(fā)環(huán)境，是進(jìn)行SOPC設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。Quartus Ⅱ支持圖形界面設(shè)計(jì)和硬件描述語言VHDL設(shè)計(jì)，受文章篇幅限制和便于描述，原有的VHDL設(shè)計(jì)都已轉(zhuǎn)換為bsf格式，即可被工程文件直接調(diào)用的圖形符號。首先，在Quartus Ⅱ中創(chuàng)立工程文件，應(yīng)用Quartus Ⅱ集成的SOPC Builder開發(fā)工具創(chuàng)建嵌入式處理器內(nèi)核NIOS系統(tǒng)，指定目標(biāo)FPGA和時鐘周期，然后添加到工程文件中。Nios Ⅱ嵌入式處理器包含三種內(nèi)核：經(jīng)濟(jì)的(Nios Ⅱ/e)、標(biāo)準(zhǔn)的(Nios Ⅱ/s)和快速的(Nios Ⅱ/f)內(nèi)核，每種都針對不同的性能范圍和成本。使用Altera的Quartus Ⅱ軟件、SOPC Builder工具和Nios Ⅱ集成開發(fā)環(huán)境IDE，用戶可輕松地將Nios Ⅱ處理器嵌入到他們的系統(tǒng)中。Nios內(nèi)核處理器及外圍電路的設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 頂層文件設(shè)計(jì)

頂層文件設(shè)計(jì)了一個SDRAM時鐘系統(tǒng)和復(fù)位電路，該時鐘信號由FPGA內(nèi)部PLL的來產(chǎn)生，可利用FPGA內(nèi)部的PLL來產(chǎn)生一個內(nèi)部時鐘信號，作為Nios Ⅱ處理器和分頻器的時鐘輸入。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個2 kB片內(nèi)ROM存儲器(Onchip_ROM)用于存儲器代碼以及程序運(yùn)行空間；1 kB片內(nèi)RAM(Onchip_RAM)用于變量存儲(R/W數(shù)據(jù))、Heap、stack等。FPGA內(nèi)部其實(shí)沒有專用的ROM硬件資源，實(shí)現(xiàn)ROM的思想是RAM賦初值，并保持該初值，即是只讀的。ROM的內(nèi)容在FPGA進(jìn)行配置時一起寫入FPGA。添加的PIO外設(shè)包括時鐘信號(CP_48M)、使能信號(enable)、復(fù)位信號(reset)、七段碼驅(qū)動信號(show)、片選信號(sel)、小數(shù)點(diǎn)顯示信號(decimal)等。FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)如圖4所示，共5個下層模塊：分頻模塊(dividedfre4)、防抖模塊(debounce)、計(jì)數(shù)模塊(fretest)、鎖存模塊(frelatch)、顯示模塊(display)。這5個下層模塊組成一個上層模塊。

圖4 FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)

2 軟件部分設(shè)計(jì)

2.1 軟件流程圖

軟件流程圖如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

2.2 軟件功能仿真

Altera公司的Quartus Ⅱ軟件提供了可編程片上系統(tǒng)(SOPC)設(shè)計(jì)的一個綜合開發(fā)環(huán)境，是進(jìn)行SOPC設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。Quartus Ⅱ集成開發(fā)環(huán)境包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)級設(shè)計(jì)，嵌入式軟件開發(fā)，可編程邏輯器件(PLD)設(shè)計(jì)，綜合，布局和布線，驗(yàn)證和仿真。利用Quartus Ⅱ進(jìn)行的功能仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 軟件功能仿真示意圖

圖6中輸入被測頻率信號input=20 kHz，由局部放大圖可知，t=1 s時，閘門信號開啟，t=2 s時，鎖存計(jì)數(shù)值，顯示為2000 kHz。局部放大如圖7所示。

圖7 局部放大示意圖

結(jié) 語

由試驗(yàn)仿真結(jié)果與實(shí)際電路中測的數(shù)據(jù)完全吻合，證明系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功。而前提是動力調(diào)諧陀螺運(yùn)行穩(wěn)定，所以陀螺脈沖力反饋系統(tǒng)是設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。三角波產(chǎn)生電路是脈沖力反饋回路的核心和硬件調(diào)試環(huán)節(jié)中最需要重視的部分。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］楊春玲，張輝.現(xiàn)代可編程邏輯器件SOPC應(yīng)用設(shè)計(jì)［M］ .哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

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［2］任愛鋒，初秀琴，常村，等.基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］ .西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。