反坦克彈光纖慣導嵌入式信號采集系統設計與實現

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(西安現代控制技術研究所，西安 710065)

0 引言

慣性制導是反坦克戰術導彈中常用的制導手段，慣性導航系統利用正交配置的三只陀螺儀和三只加速度計傳感器信號獲得載體在導航坐標系下的運動信息，配合導航計算機實時解算，為導彈控制系統提供速度、位置、姿態、角速度和加速度等導航信息[3]，慣性制導具有全天候、抗欺騙、高可靠的技術優勢，能夠適應導彈惡劣使用環境或復雜機動。

慣性導航系統是戰術導彈的重要組成部件，對確保導彈控制系統中制導精度、動態響應速度及末制導捕獲概率至關重要[2]，因此慣性導航系統中的高精度慣性傳感器信號同步采集電路的精度性能與實時處理速度顯得尤為重要。綜合導彈應用環境對慣導成本、體積、通用化程度的特殊要求[1]，本設計采用高可靠的捷聯慣導硬件平臺方案，陀螺儀選用緊湊型三軸一體光纖陀螺[4]，具有低成本、結構簡單、節省空間、低功耗、直接數字輸出的特點，加速度計采用小型石英撓性加速度計[5]，具有成本低、技術成熟度的優勢。針對加速度計電流模擬信號輸出與后端高精度采樣的需求，信號同步采集與實時處理電路前級設計了電流到頻率脈沖專用電路模塊，后端采用基于DSP+FPGA架構的嵌入式電路方案，對陀螺輸出的串口信號與加速度計模/數轉換后的脈沖進行同步采集與計數。

1 系統方案

本系統主要實現慣性測量單元(光纖陀螺儀及加速度計)輸出信號的采集和處理，其硬件組成包含二次電源模塊、IF轉換模塊、信號采集與處理模塊及運行在此模塊上的軟件組成[6]。系統組成與電氣流向關系如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖

三軸光纖陀螺用于測量彈體相對慣性空間的角運動，加速度計敏感彈體相對慣性空間的線運動加速度。二次電源電路主要用于將一次電源轉為系統內部各功能模塊所需的二次電源；IF轉換電路將加速度計輸出的電流信號轉換為頻率脈沖信號；信號采集與處理電路采用DSP+FPGA架構，主要用于接收控制器的指令，采集三軸光纖陀螺組合、IF轉換電路和外部機載組合導航系統的輸出信號，并實現系統自檢、傳遞對準、空中修正及彈上導航等功能，向外部實時輸出導航信息；其中FPGA實現串口信號采集、多路頻率脈沖計數、信號同步、時序邏輯和外設硬件接口擴展；DSP芯片響應外部操控指令，實現功能任務調度，對采集得到的角速度和加速度信息進行溫度、安裝誤差補償，完成初始對準與導航解算相關任務。FPGA編程靈活，方便擴展， DSP芯片浮點運算精度高、速度快，在確保系統數據處理的實時性和準確性同時還具有結構緊湊、體積小、功耗低等優點，能夠滿足通用慣性系統的信號處理要求。

2 各子模塊設計

2.1 二次電源電路設計

二次電源電路主要為三軸光纖陀螺儀、加速度計、IF轉換電路、信號采集與處理電路等功能單元提供工作電源。

二次電源電路設計輸入標稱電壓為DC28V，輸入電壓范圍為18～32 V；有兩路獨立的輸入電壓及EMI濾波，可實現電源無縫切換和獨立輸入供電功能，確保系統在任意情況下可正常工作，同時具有反向通電截止、過流保護等防護功能；二次電源電路總效率大于75%。

2.2 IF轉換電路設計

由于加速度計原始輸出電信號為微弱電流信號，進數字計算機處理前需要利用量化電路將其模擬電流轉換為數字信號。而量化電路對微弱信號轉換的準確性與穩定性，將直接影響慣性導航裝置的傳遞對準、純慣性導航解算及空中修正的精度。因此，設計高精度抗干擾量化電路是保證慣性導航裝置精度的前提。電流信號轉換電路的實現方案一般為基于逐次逼近的A/D轉換[8]和基于累積效應的電流到頻率脈沖轉換(簡稱IF轉換)[7]。

由于加速度計的精度和分辨率在微安級，若采用A/D轉換，要保證高精度數據采集，在硬件實現上較為復雜，精度、可靠性、實時性、抗干擾性均難以保證，在數字信號處理方面也復雜，信號采樣易失真。

IF轉換是通過對電流積分達到電荷平衡實現電流信號轉換為數字信號，轉換過程無縫隙，既克服了A/D轉換的諸多不足之處，又能夠保證轉換精度要求。本文采用了IF轉換原理的方式對加速度計輸出的電流信號進行量化處理。IF轉換電路主要由積分器、閾值電路、比較器、同步電路、換向開關、恒流源和整形電路等組成的閉環系統，如圖2所示。IF轉換電路所采用的電荷平衡的轉換方法，是指在輸入的模擬電流信號和內部的精密恒流源間建立的一種電荷平衡。輸入的電流信號進入于兩種狀態交替工作的積分器中，積分器有兩種工作模式，一種是積分模式，另一種是復位模式，積分器的輸出經過比較器后觸發同步電路，同步電路形成一個時間寬度正比于輸入電流幅度的高電平，一路經過整形計數器輸出脈沖數字信號，另外一路控制電流開關，從而控制積分器交替工作于積分狀態和復位狀態。

圖2 IF轉換電路原理框圖

2.3 信號采集與處理電路設計

根據本系統需實現的功能，其運算性能和接口能力是設計時的主要考慮因素。基于技術成熟性，采用DSP處理器+FPGA的架構模式作為信號采集與處理電路的設計基礎[9]。該架構模式功能界面清晰，性能穩定可靠，處理速度快，方便外圍設備的擴展。其中，FPGA主要負責接口管理、時序邏輯控制、信號采集和通訊；DSP處理器選用TMS320C6722，主要完成運算功能。其主要技術指標如下：DSP處理器主頻大于等于200 MHz；4路隔離的全雙工RS422接口，每路串口的FIFO容量不小于128字節，波特率與奇偶校驗位可軟件配置；程序存儲區與參數存儲區分開，存儲區FLASH空間大于等于2 M×8 bit；6路16 bit高速計數器；支持軟件及參數的串口下載。

3 軟件設計

3.1 FPGA脈沖采集系統設計

本設計選用Xilinx公司的Spartan-6芯片作為整個系統的信息采集核心，以完成對光纖陀螺原始信息的采集及解析[10]、對IF轉換電路信號采集、中斷控制及通信。本設計采用VHDL語言，以模塊化編程的方式在FPGA中實現信號采集、處理和控制功能，其主要的子模塊有：脈沖信號濾波模塊、脈沖信號計數模塊、脈沖信號數據二次鎖存模塊、中斷控制模塊和RS422通用異步串口通信模塊。

1)中斷控制。

DSP只有一個外部中斷接收口，FPGA對外部各中斷源信號進行邏輯組合運算使其滿足DSP外部中斷要求。FPGA對外部各中斷源信號進行邏輯組合運算使其滿足DSP外部中斷要求，將各中斷源狀態鎖存在中斷狀態寄存器中，以便DSP能夠查詢各中斷源當前狀態。輸出通過并行總線讀取中斷狀態信息。

2)IF轉換電路信號采集管理。

IF轉換電路信號采集管理單元完成脈沖計數的主控制流程。實時記錄當前采集的IF轉換電路有效脈沖信號數量，脈沖信號上升沿時計數。脈沖信號下降沿且ACLKX0為低時，把脈沖計數器的值鎖存在一級鎖存器，ACLKX0為高時，再把一級鎖存器的數值鎖存到二級鎖存器中，以此避免脈沖計數器發生讀寫沖突。其中IF轉換電路信號采集邏輯流程如圖3所示，脈沖信號二級鎖存邏輯流程圖如圖4所示。

圖3 IF轉換電路信號采集邏輯流程圖 圖4 脈沖信號二級鎖存邏輯流程圖

3.2 DSP運算處理系統設計

DSP的底層驅動軟件實現硬件與軟件之間的底層信息交互，以完成對硬件狀態控制和數據讀寫；系統架構軟件主要完成系統的任務規劃、時序配置與功能管理；接口通訊軟件主要實現對系統外部的指令流、數據流的接收與響應，對系統內部各傳感器的數據采集與同步。

圖5 慣性導航系統工作流程圖

本系統軟件由C語言設計，可進行在線仿真，軟件固化在FLASH內，系統復位后可獨立運行，整個系統模塊的設計可以在不同環境下進行移植。本系統軟件采用模塊化、結構化的設計方法實現，將軟件分為初始化模塊、自檢模塊、數據采集模塊、數據補償模塊、解算模塊和通訊等模塊。其中：初始化模塊是完成導航計算機硬件參數初始設置以及全局變量初始化等功能；自檢模塊通過采集和計算光纖陀螺儀與加速度計的信息來判斷慣性器件工作是否正常，同時檢測系統的工作狀態和檢測串口總線功能是否正常并輸出相應的自檢結果；數據采集模塊負責接收通過RS422串口的光纖陀螺儀信息、IF轉換電路輸出的脈沖信息及其他導航信息。本系統DSP軟件工作流程如圖5所示。

4 試驗結果和分析

根據某型戰術導彈通用慣性導航系統的要求，選用的三軸光纖陀螺組合輸入量程為-300～+300°/s；加速度計測量范圍為-50～+50 g，標度因數K1為1.1 mA/g，標度因數K1的全量程非線性誤差≤0.01%。對應IF轉換電路的主要技術要求為：輸入電流范圍-55～+55 mA，零偏≤3 Hz，線性度(正負通道)≤100 ppm。

為便于考核全范圍內系統性能，本文采用FLUKE5500A基準源提供高精度高穩定性的電流信號模擬實際加速度計信號，電路上電1分鐘后，給電路其中一路依次輸入不同電流值，分別記錄對應輸入電流的輸出脈沖值，典型測試結果如表1所示。

表1 典型測試結果

使用均方差法計算正負向通道頻率輸出線性度，具體公式如下：

測試結果可見零偏為0 Hz，計算可得其正向線性度為35 ppm，負向線性度為61 ppm，均滿足IF轉換電路的技術要求，同時驗證了慣性器件信號處理系統設計的正確性和高精度性。

5 結論

本文針對戰術導彈通用慣性導航系統的特殊要求，設計了基于DSP和FPGA的慣性器件數據采集系統，實現了三軸一體光纖陀螺和加速度計的輸出信號的高精度實時采集，為慣性導航裝置的誤差標定、誤差建模與補償、系統導航算法實現提供了硬件平臺和數據支持。通過實驗驗證了本設計的正確性，并且具有小型化、高精度、實時性高、接口豐富，多通道同步等特點，適用于多種彈型的導航裝置或組合導航裝置，擴展通用性強。