光纖陀螺輸出信號(hào)模擬及計(jì)數(shù)卡的設(shè)計(jì)研究

曾凡錢

摘 要：光纖陀螺屬于一種新型傳感器，具有相對(duì)于慣性空間角運(yùn)動(dòng)、敏感性高的特點(diǎn)。本文首先介紹了光纖陀螺輸出信號(hào)模擬的電路設(shè)計(jì)，然后分析了計(jì)數(shù)卡的設(shè)計(jì)以及軟件的實(shí)際編程方法。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，發(fā)現(xiàn)光纖陀螺輸出信號(hào)的波形能夠被設(shè)計(jì)的模擬電路精確地模擬出來(lái)，從而能夠提供精準(zhǔn)的輸入測(cè)試信號(hào)給計(jì)數(shù)卡，設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)卡具有精度高、電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，證明此設(shè)計(jì)是正確的、可靠的。

關(guān)鍵詞：光纖陀螺；輸出信號(hào)；模擬；計(jì)數(shù)卡

1 光纖陀螺概述

1.1 光纖陀螺簡(jiǎn)介

光纖陀螺屬于角速度傳感器的一種，所應(yīng)用的技術(shù)是光纖技術(shù)，目前光纖陀螺已經(jīng)在導(dǎo)彈、車輛、衛(wèi)星、潛艇、飛行器的姿態(tài)控制與導(dǎo)航制導(dǎo)中得到了廣泛的應(yīng)用，并且在礦井測(cè)斜、定位定向等領(lǐng)域也發(fā)揮著非常重要的作用。作為一種全新的慣性器件，光纖陀螺除了電路部分外，只需要五個(gè)光路器件，利用光纖環(huán)中的光在傳輸?shù)臅r(shí)候所出現(xiàn)的Sagnac相位差能敏感的捕捉到載體轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，其中光纖陀螺全部為固態(tài)結(jié)構(gòu)，沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，具有動(dòng)態(tài)范圍大、抗沖擊、啟動(dòng)快、耐振動(dòng)、壽命長(zhǎng)、高可靠性的特點(diǎn)，與其他角速度傳感器相比，具有成本低、重量輕、體積小的優(yōu)點(diǎn)，因此在國(guó)內(nèi)外的慣性技術(shù)界得到了前所未有的重視，很快成為既機(jī)械陀螺、激光陀螺之后的能夠廣泛應(yīng)用的第三代陀螺。

光纖陀螺目前尚屬于一種新型陀螺，對(duì)慣性空間的角運(yùn)動(dòng)非常敏感，其輸出形式通常為模擬電壓、脈沖量或?qū)?yīng)角速度值的數(shù)字量等。下面將要分析的是計(jì)數(shù)式光纖陀螺，轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度值主要由脈沖數(shù)目量來(lái)表示，經(jīng)由兩條線對(duì)正反轉(zhuǎn)輸出，其中一條線輸出負(fù)轉(zhuǎn)速，另外一條線輸出正轉(zhuǎn)速。經(jīng)由計(jì)算機(jī)處理的脈沖量，必須具有較高的采集精度、較大的采集范圍，并且必須具備正反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)的功能。計(jì)數(shù)式光纖陀螺的輸出信號(hào)波形由信號(hào)模擬電路進(jìn)行精準(zhǔn)的模擬，信號(hào)的采集工作主要由計(jì)數(shù)卡來(lái)進(jìn)行。

1.2 光纖陀螺的優(yōu)良特性

和傳統(tǒng)的激光陀螺、機(jī)電陀螺相比，光纖陀螺具備以下8點(diǎn)優(yōu)良特性：

第一，具有的零部件不多，儀器穩(wěn)定性好，牢固性強(qiáng)，具備很好的抗加速運(yùn)動(dòng)與抗沖擊的性能；第二，由于具備較長(zhǎng)的繞制光纖，因此與激光陀螺相比，其分辨率、檢測(cè)靈敏度提升了幾個(gè)數(shù)量級(jí)；第三，由于不包含機(jī)械傳動(dòng)部件，因此在使用過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)磨損的問(wèn)題，使用壽命比較長(zhǎng)；第四，對(duì)于集成光路技術(shù)的采用比較容易，擁有穩(wěn)定信號(hào)，能夠直接用數(shù)字輸出，能夠直接連接計(jì)算機(jī)接口；第五，通過(guò)對(duì)光在線圈中的循環(huán)傳播次數(shù)的改變以及對(duì)光纖長(zhǎng)度的改變，能夠?qū)崿F(xiàn)不一致的精度，而且動(dòng)態(tài)范圍比較寬；第六，由于相干光束的傳播時(shí)間不長(zhǎng)，因此不用預(yù)熱就可在瞬間啟動(dòng)；第七，能夠和激光陀螺聯(lián)合使用，形成不同種類慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳感器，特別是能夠形成捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳感器，具有廣泛的用途；第八，光纖陀螺具有較輕的重量、較小的體積、較低的價(jià)格、較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，因此便于大量推廣使用。

1.3 光纖陀螺存在的技術(shù)問(wèn)題

雖然光纖陀螺有眾多優(yōu)點(diǎn)，也在國(guó)內(nèi)外的眾多行業(yè)有了廣泛的應(yīng)用，但是其仍然存在很多技術(shù)問(wèn)題，不僅限制了其穩(wěn)定性與精準(zhǔn)性，還限制了其在各行各業(yè)的應(yīng)用。光纖陀螺存在的技術(shù)問(wèn)題主要有：一是其測(cè)量精度易受振動(dòng)的影響，因此要想避免出現(xiàn)共振的情況，保障線圈良好的堅(jiān)固性，就必須對(duì)線圈進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆庋b，合理地設(shè)計(jì)陀螺的內(nèi)部機(jī)械；二是易受溫度瞬態(tài)的影響，環(huán)形干涉儀的兩個(gè)反向傳播光路在理論上是等長(zhǎng)的，但是嚴(yán)格的成立條件是系統(tǒng)不隨著時(shí)間而變化，實(shí)驗(yàn)證明，旋轉(zhuǎn)速率測(cè)量值以及相位誤差的漂移和溫度的時(shí)間導(dǎo)數(shù)成正比，這在光纖的預(yù)熱期間是非常有害的；三是偏振的影響，雙偏振模式的光纖是目前應(yīng)用較多的單模光纖，由于光纖的雙折射能夠引起寄生相位差，所以需要用偏振對(duì)波進(jìn)行過(guò)濾，雖然消偏光纖能夠有效抑制偏振，但是會(huì)大大地增加成本。

2 光纖陀螺輸出信號(hào)模擬電路的設(shè)計(jì)

對(duì)光纖陀螺輸出信號(hào)進(jìn)行正確的、精準(zhǔn)的模擬，不僅可以很好地了解光纖陀螺的工作原理，還能把模擬的輸出信號(hào)作為計(jì)數(shù)卡的測(cè)試數(shù)據(jù)，從而能夠檢驗(yàn)計(jì)數(shù)卡設(shè)計(jì)的合理與否、工作狀態(tài)可靠與否以及計(jì)數(shù)精度的高低。本節(jié)詳細(xì)介紹了模擬電路的設(shè)計(jì)圖以及工作原理。

2.1 設(shè)計(jì)電路

來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)、反轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)是計(jì)數(shù)式光纖陀螺傳動(dòng)的3種情況，與此對(duì)應(yīng)，所設(shè)計(jì)的輸出信號(hào)模擬電路必須能夠輸出正反脈沖序列、反轉(zhuǎn)脈沖序列、正轉(zhuǎn)脈沖序列這3種狀態(tài)，這樣才能對(duì)陀螺輸出的脈沖信號(hào)的波形有精確的模擬。光纖陀螺輸出信號(hào)的模擬電路主要由開(kāi)關(guān)選擇電路、脈沖產(chǎn)生電路及晶振電路所組成，所設(shè)計(jì)的電路圖見(jiàn)圖1。

由圖1可以看出，或門(mén)74L32（1）、與非門(mén)74LS00（1）、計(jì)數(shù)器74L393（2）與計(jì)數(shù)器74L393（1）共同組成了脈沖產(chǎn)生電路，由晶振電路產(chǎn)生方波，其中振蕩頻率為10MHz。

2.2 光纖陀螺輸出信號(hào)模擬電路的工作原理

電路的工作原理是脈沖由晶振電路產(chǎn)生之后經(jīng)過(guò)74LS393（1）被分頻送到74LS00（1），之后74LS00（1）輸出的信號(hào)經(jīng)由計(jì)數(shù)器74L393（2）被分頻送到或門(mén)74L32（1）的輸入端，最后生成的脈沖由74L32（1）-P端輸出。由74L32（1）-P端輸出的光纖陀螺脈沖信號(hào)，通過(guò)對(duì)74L32（1）輸入狀態(tài)的改變，能夠?qū)Σ煌耐勇菝}沖信號(hào)進(jìn)行模擬。

開(kāi)關(guān)選擇電路的工作原理：J-K觸發(fā)器72LS107A在按下啟動(dòng)開(kāi)關(guān)之后，其輸出是高電平，清除端是低電平，并且74LS00（1）允許通過(guò)74LS393（1）輸出脈沖。74LS00（1）輸出的另外一路脈沖通過(guò)256×256×256分頻之后能夠被72LS107A的時(shí)鐘端所接收，當(dāng)下降沿出現(xiàn)的時(shí)候，74LS00（1）將禁止通過(guò)74LS393（1）輸出脈沖，并且72LS107A的輸出會(huì)反轉(zhuǎn)成低電平。在選擇開(kāi)關(guān)接通地的時(shí)候，對(duì)應(yīng)反轉(zhuǎn)，則74LS00的負(fù)脈沖端輸出由74LS32（1）-P端產(chǎn)生的脈沖；在將+5V的電壓接通選擇開(kāi)關(guān)的時(shí)候，對(duì)應(yīng)正轉(zhuǎn)，則74LS00的正脈沖端輸出由74LS32（1）-P端產(chǎn)生的脈沖；在把74LS32接通選擇開(kāi)關(guān)的時(shí)候，對(duì)應(yīng)來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)主要有以下3種輸出狀況：（1）輸出的正負(fù)脈沖數(shù)相同；（2）輸出的正脈沖數(shù)是負(fù)脈沖的三分之一；（3）輸出的負(fù)脈沖數(shù)是正脈沖的三分之一。

在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS221被下降沿所觸發(fā)的時(shí)候，將會(huì)輸出一個(gè)脈沖作為控制信號(hào)，這個(gè)脈沖的寬度是0.7×104。只有發(fā)出256次控制信號(hào)，才會(huì)從74LS00（1）允許通過(guò)74LS393（1）輸出脈沖的狀態(tài)轉(zhuǎn)變至74LS00（1）禁止通過(guò)74LS393（1）輸出脈沖的狀態(tài)。

3 光纖陀螺輸出信號(hào)計(jì)數(shù)卡的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)卡的時(shí)候以ISA總線設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，利用16位的I/O，達(dá)到輸入脈沖加減計(jì)數(shù)的功能，計(jì)數(shù)卡的主要組成部分包括地址譯碼電路、輸入接口電路、計(jì)數(shù)器三個(gè)部分。

3.1 地址譯碼電路的設(shè)計(jì)

選取的是開(kāi)關(guān)式可選譯碼，因此接口卡的地址可以與不同的地址分配場(chǎng)合相適應(yīng)。電阻排是RP，DIP開(kāi)關(guān)是SW。一片比較器74LS688被應(yīng)用其中，在設(shè)置端Q0-Q7的狀態(tài)和輸入端P0-P7的地址相同的時(shí)候，輸出P=Q為低。值得注意的是，74LS138要想實(shí)現(xiàn)譯碼的有效性，電路必須滿足的條件是AEN=0，A9=1。中斷方式是地址譯碼電路的數(shù)據(jù)輸入方式，使用的是IRQ3。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的光陀螺輸出信號(hào)模擬電路能夠?qū)馔勇葺敵鲂盘?hào)的波形進(jìn)行精確的模擬，從而為計(jì)數(shù)卡提供較好的輸入測(cè)試信號(hào)。本文設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)卡具有較高的精度，并且電路比較簡(jiǎn)單，利用此計(jì)數(shù)卡來(lái)測(cè)試實(shí)際陀螺可以發(fā)現(xiàn)此計(jì)數(shù)卡的工作狀態(tài)是正確可靠的。同等條件下，ISA總線中的16位I/O操作能夠有比8位I/O操作快2倍的傳送速度。

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