光纖陀螺通用并行測試系統設計

摘 要：光纖陀螺本身所固有的高精度、抗復雜環境等顯著特點，廣泛用于航海、海天、機器人等軍民用姿態測量系統中。隨著光纖陀螺的不斷發展，光纖陀螺通訊速率越來越快，普通PC機的接收數據速率已無法滿足光纖陀螺的測試，這很大程度影響了光纖陀螺研制工作的開展。本文提出一種基于FPGA的高效并行測試系統方案，利用FPGA高速計算的特點，結合收發器，將波特率為1M以上的陀螺數據，通過同步、組幀、發送的方式，轉化為普通PC機能夠接收的低波特率數據，且保證陀螺數據的完整性，解決光纖陀螺研制過程中的高速數據接收問題。

關鍵詞：光纖陀螺;FPGA;測試

1、引言

光纖陀螺作為一種新型全固態慣性儀表，被廣泛用于航海、航天、機器人和石油儀器等各類軍民用姿態測量系統中。隨著近幾年技術的不斷發展，光纖陀螺數據輸出速率也隨之增加，以前采用的陀螺測試系統已無法滿足波特率較高的光纖陀螺的測試需求，因此光纖陀螺測試系統也需要提高數據采集、處理頻率且對陀螺數據的丟幀錯幀有一定的風險處理能力。

本文提出一種基于FPGA的高效并行測試系統方案，采用軟硬件結合的方式，實現對多路陀螺的控制、通訊及數據采集。光纖陀螺通用測試系統主要有如下特點：1）可同時對4只陀螺進行測試，支持多種陀螺數據通訊波特率及格式，目前最高可達2Mbps;2）通過設置各項參數（陀螺編號、測試項目、測試時間等），可以完成各項性能測試;3）具有一定的數據判斷能力，對于丟、錯幀數據，直接舍棄，避免影響陀螺整體工作回路。

2、系統設計

光纖陀螺通用測試系統由硬件子系統與軟件子系統構成，硬件子系統由晶振、接口電路、FPGA、電源電路等組成，是系統工作軟件的載體，主要實現光纖陀螺測試中的各項硬件接口;軟件子系統主要是指FPGA工作軟件，包括時鐘模塊、指令發送模塊、數據接收模塊等，主要實現對光纖陀螺輸出數據的采集、組幀、發送等功能。

3、具體實現

3.1 硬件子系統實現

硬件子系統是光纖陀螺通用測試系統的硬件載體，由晶振、接口電路、FPGA、電源電路等組成。其中晶振產生系統主時鐘，作為系統工作軟件的時鐘參考;電源電路采用凌特公司的兩款集成電路，實現從主電源（+5V）到兩路數字電源（+3.3V、+1.5V）的轉換，作為FPGA的供電電源;接口電路采用數字收發器及隔離器，實現光纖陀螺測試硬件接口，接收光纖陀螺輸出數據;FPGA作為系統工作軟件的載體，配合系統工作軟件實現陀螺數據的同步、組幀、發送等功能。

3.2 軟件子系統實現

軟件子系統是指FPGA工作軟件，由時鐘模塊、指令發送模塊、數據接收模塊、數據組幀及發送模塊等組成，各模塊功能及實現如下。

3.3時鐘模塊

時鐘模塊主要是產生數據采集時鐘、指令發送時鐘和數據發送時鐘，分別作為接收數據、發送指令和發送數據的時鐘基準。該模塊先通過FPGA芯片內部的鎖相環將晶振產生的時鐘進行倍頻，形成系統工作的主時鐘CLK，再定義三個寄存器，分別通過位翻轉判斷的方式，形成數據采集時鐘R_clk、指令發送時鐘O_clk和數據發送時鐘S_clk，作為數據接收模塊、指令發送和數據組幀及發送模塊的輸入時鐘。

3.4指令發送模塊

指令發送模塊主要是產生陀螺觸發指令，作為外觸發模式光纖陀螺的發數信號。該模塊先定義一個字節的數組，將陀螺觸發指令存入該數組，然后通過移位寄存器將該數組的內容發出，形成陀螺發數信號。該模塊只針對于外觸發模式光纖陀螺的測試，對于自觸發模式的光纖陀螺可以屏蔽，不予使用。

3.5數據接收模塊

數據接收模塊主要是接收陀螺輸出數據。利用時鐘模塊產生的數據采集時鐘，對陀螺輸出數據采取“八判七”的方式，進行數據收集，并利用校驗位對數據的真實性進行判斷，對于錯幀數據舍棄處理，同時置位錯幀標志寄存器，上位機根據錯幀標志寄存器決定是否停止測試，方便研發人員進行問題定位。

3.6數據組幀及發送模塊

數據組幀及發送模塊是將接收的陀螺輸出數據，按照上位機采集數據的格式，進行組幀，形成起始位、停止位、校驗位和校驗字節，同時將時鐘模塊產生的數據發送時鐘作為數據輸出基準，通過移位寄存器的方式將組幀后的數據進行移位輸出，當全部數據輸出完之后，置位發送完成標志寄存器。

在整個測試系統中，軟件子系統發揮著至關重要的作用，所有的測試邏輯基本通過軟件實現，因此軟件是否正確就確定測試工作是否準確進行，下面通過功能驗證確保測試系統的準確性。

4、功能驗證

為準確的評價測試系統的性能，分別選取已知性能指標的外觸發模式光纖陀螺1只（通訊波特率為1.25M，陀螺觸發指令為0x55）和自觸發模式光纖陀螺1只（通訊波特率為921600bps）作為性能評價依據。按照光纖陀螺測試大綱要求，對這兩只陀螺進行測試，測試項目包括常溫零偏穩定性、常溫標度性能、閾值測試等，測試過程中光纖陀螺通信正常，各項測試結果均與已知性能指標一致，可以看出，光纖陀螺通用并行測試系統的指標完全滿足光纖陀螺的測試要求。

5、總結

本文提出了一種基于FPGA的光纖陀螺通用并行測試系統，該系統功能集成化程度較高，可根據不同的陀螺數據輸出波特率進行匹配設計，極大地節省了研發人員時間與工作量，提高了光纖陀螺的生產交付進度。經過一段時間的使用與測試表明，該系統可靠性高，且能夠完成光纖陀螺幾乎所有參數的測試，對后續光纖陀螺的研發和測試工作，意義重大。

參考文獻

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作者簡介：

陳楠（1994.04-），性別：男，民族：漢，籍貫：江西省九江市，當前職務：設計員，

當前職稱：助理工程師，學歷：大學本科，研究方向：光纖陀螺。

（作者單位：貴州航天控制技術有限公司）