基于ZYNQ 的激光陀螺尋北儀的設(shè)計(jì)

李錦明，田登輝

（中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院，山西太原 030051）

地理方位信息自古以來就是人類生產(chǎn)活動(dòng)和社會(huì)實(shí)踐中不可或缺的信息，因此人類不停地對(duì)方向定位等方面進(jìn)行研究。在古代，人們通過北斗星的位置來確定北向信息，其中四大發(fā)明中指南針的發(fā)明更是體現(xiàn)了祖先的智慧[1]。但是古代傳統(tǒng)的尋北方法極易受到天氣、環(huán)境等外界因素的影響，存在著精度不高、適應(yīng)環(huán)境困難等巨大缺陷。隨著社會(huì)和科技的發(fā)展，這些方法已經(jīng)不能滿足人們對(duì)定位的需求，無論是軍用還是民用領(lǐng)域?qū)け钡木忍岢隽烁叩囊骩2]。

1 光纖陀螺的尋北原理

對(duì)于北向的定義通常有多種，在測量時(shí)其北向的標(biāo)準(zhǔn)分為真北和磁北[3]。真北指的是在地球表面的任意一點(diǎn)指向北極的方向，其方向是恒定不變的。磁北通常就是指地球磁場的北極，對(duì)于古代人們使用指南針測得的北向就是磁北方向[4]。但是由于地球的磁軸在不斷地運(yùn)動(dòng)，因此磁北的方向也在不斷發(fā)生變化。

光纖陀螺尋北尋的是真北方向，光纖陀螺通過測量不同位置時(shí)地球自轉(zhuǎn)角速度在光纖陀螺敏感軸向的分量，從而計(jì)算出所測方向與真北方向的夾角[5]。光纖陀螺是一種測量其敏感軸上角速度的一種傳感器，因此光纖陀螺的輸出實(shí)際就是其法線方向的角速度，從而將陀螺的法線作為其測量方向。圖1 所示為光纖陀螺尋北的工作原理圖。

圖1 光纖陀螺尋北原理圖

地球每天繞著地軸進(jìn)行自轉(zhuǎn)，地球的自轉(zhuǎn)角速度為15°/h。觀察圖2 可知，ωe就是陀螺靜止時(shí)地球的自轉(zhuǎn)角速度[6]。ωe1為地理北極的角速度；ωe2為光纖陀螺與地面垂直時(shí)的角速度；圖中的ψ指陀螺所處位置的地球緯度。在測量時(shí)陀螺是靜止不動(dòng)的，其陀螺輸出的結(jié)果不是ωe1，而是地球自轉(zhuǎn)角速度在光纖陀螺法線上的分量[7]。其光纖陀螺的輸出ω＇如式(1)所示：式中，θ為光纖陀螺法線方向與北方向的夾角，為陀螺輸出的隨機(jī)零漂。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該文所設(shè)計(jì)的光纖陀螺尋北儀由單個(gè)XB185D單軸閉環(huán)光纖陀螺和兩個(gè)單軸加速度計(jì)、兩個(gè)溫度傳感器、精密電控轉(zhuǎn)臺(tái)、穩(wěn)壓電源、串口通信和外圍電路等組成。將光纖陀螺XB185D 和兩個(gè)加速度計(jì)安裝在控制轉(zhuǎn)臺(tái)上，兩個(gè)加速度計(jì)的敏感軸相互正交，用于測量旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的傾斜角。光纖陀螺的敏感軸和電控轉(zhuǎn)臺(tái)所在臺(tái)面平行，用于測量地球的自轉(zhuǎn)角速度。系統(tǒng)以Xilinx 的高性能ZYNQ-7000 系列XC7Z020 為邏輯控制核心對(duì)陀螺采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，運(yùn)用四位置尋北算法進(jìn)行解算后將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，并且通過AD 芯片AD7693 對(duì)加速度計(jì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過溫度傳感器DS18B20 對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。系統(tǒng)總體框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)總體框圖

2.1 加速度計(jì)信號(hào)采集模塊

將兩路加速度計(jì)相互正交地安裝在轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)里面，用于測量轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)與水平面的傾斜程度。石英加速度計(jì)輸出的是電流信號(hào)，而AD7693 的輸入要求是電壓信號(hào)，因此必須將加速度計(jì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)[8]。查閱加速度計(jì)的數(shù)據(jù)手冊(cè)可得其輸出的電流范圍為-5～+5 mA。AD7693 的參考電壓VREF為2.5 V，其輸出的范圍為0～2.5 V。為了滿足AD7693 的電壓輸入范圍，系統(tǒng)采用運(yùn)放OPA2340 進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。將加速度的輸出信號(hào)接入運(yùn)放的同向端，并在同向端引入1.25 V 的偏置電壓使其輸出端的電壓變換范圍為0～2.5 V。信號(hào)調(diào)理電路圖如圖3 所示。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路

2.2 溫度采集模塊

系統(tǒng)采用DS18B20 作為溫度采集的傳感器，DS18B20 是一款常用的高精度單總線數(shù)字溫度測量芯片，具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、硬件開銷低、精度高的特點(diǎn)[9]。DS18B20 的測溫范圍為-55～+125 ℃，尤其是在-10～+85 ℃范圍內(nèi)其誤差僅僅為±0.4 ℃[10]。DS18B20 總共有三個(gè)管腳，分別為電源端、電源地端和數(shù)據(jù)輸入/輸出端[11]。其中數(shù)據(jù)輸入/輸出端必須接一個(gè)上拉電阻。溫度采集電路圖如圖4 所示。

圖4 溫度采集電路

2.3 陀螺數(shù)據(jù)采集模塊

尋北儀采用單軸閉環(huán)光纖陀螺XB185D 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該陀螺建立在環(huán)形多匝光纖環(huán)基礎(chǔ)上，是一種基于Sagnac 效應(yīng)，以閉環(huán)控制電路為基礎(chǔ)的單軸光纖角速率傳感器[12]。當(dāng)光纖環(huán)圍繞垂直于光纖環(huán)平面的敏感軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，相向傳播的兩光束產(chǎn)生相位差，該差值正比于旋轉(zhuǎn)角速度。將該差值解調(diào)輸出，即可獲得載體的旋轉(zhuǎn)角速率。

XB185D 主要由光纖環(huán)、Y 波導(dǎo)、耦合器、SLD 光源、PIN-FET、光源驅(qū)動(dòng)電路及信號(hào)處理電路構(gòu)成，主要用于高鐵、飛艇、直升機(jī)、無人機(jī)等各種光纖捷聯(lián)姿態(tài)參考系統(tǒng)中[13]。

陀螺測量的角速率信號(hào)在外同步信號(hào)的觸發(fā)下（下降沿觸發(fā)），以RS422 串口方式輸出。陀螺的主板接±5 V 電源，以RS422 的形式進(jìn)行外部輸出。陀螺通過RS422 接口接收外部400 Hz 差分方波同步信號(hào)，同步時(shí)刻為正脈沖下降沿。該陀螺的傳輸速為115 200 bps，其數(shù)據(jù)更新率為400 Hz。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分主要是通過verilog 語言在vivado 中進(jìn)行編程來實(shí)現(xiàn)[14]。該節(jié)將會(huì)對(duì)光纖陀螺數(shù)據(jù)采集模塊、加速度計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、FIFO 存儲(chǔ)模塊、上位機(jī)姿態(tài)顯示模塊等進(jìn)行詳細(xì)描述，這些模塊主要完成數(shù)據(jù)的處理，然后利用上位機(jī)根據(jù)用戶指標(biāo)完成光纖陀螺姿態(tài)角的顯示。

3.1 陀螺數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行到0°、90°、180°、270°位置時(shí)對(duì)陀螺進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)通過vivado 編寫光纖陀螺數(shù)據(jù)采集程序。XC7Z020 作為主控芯片主要由PS和PL 兩部分組成的，在PL 中編寫脈沖使能信號(hào)，并將其封裝成IP 核；然后在vivado 的block design 中對(duì)ZYNQ7 Processing System 進(jìn)行配置，并將封裝好的IP 核連接到該系統(tǒng)中；在XC7Z020 的PS 模塊中接收光纖陀螺采集的數(shù)據(jù)。

FPGA 與陀螺之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過RS422總線進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的，雙方規(guī)定它們之間的波特率為115 200 bps。每次主控芯片要獲取光纖陀螺的數(shù)據(jù)，就需要向光纖陀螺發(fā)送一個(gè)脈沖使能信號(hào)，該系統(tǒng)采用的使能脈沖信號(hào)的周期為1 s，通過一個(gè)I/O端口向光纖陀螺發(fā)送脈沖信號(hào)，然后光纖陀螺向主控發(fā)送10 個(gè)字節(jié)的光纖陀螺數(shù)據(jù)。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊

AD7693 是一種基于電荷再分配DAC 的16 位的逐次逼近型ADC。系統(tǒng)采用狀態(tài)機(jī)的方式對(duì)AD7693進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序的編寫。在驅(qū)動(dòng)AD7693 的過程中采用四種狀態(tài)，其分別為空閑狀態(tài)、A/D 轉(zhuǎn)換狀態(tài)、數(shù)據(jù)獲取狀態(tài)、數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)。首先當(dāng)AD 器件處于空閑狀態(tài)時(shí)將器件的CNV 端拉低，并將SDI 端變成高電平，對(duì)其寄存器進(jìn)行初始化。當(dāng)接收到使能信號(hào)后開始進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，在AD 轉(zhuǎn)換過程中將CNV 端變?yōu)楦唠娖讲?duì)其所處高電平的時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間達(dá)到2 μs 時(shí)，將CNV 端拉低，其狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)獲取狀態(tài)。在數(shù)據(jù)獲取狀態(tài)中，通過SDO 端將A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到FPGA 的FIFO 中。其A/D 轉(zhuǎn)換控制模塊流程圖如圖5 所示。

圖5 A/D轉(zhuǎn)換模塊流程圖

3.3 尋北算法解析模塊

陀螺尋北采用四位置尋北法進(jìn)行解算，其四位置法就是測量四個(gè)位置的陀螺數(shù)據(jù)，且每個(gè)位置相距90°。將陀螺最開始的位置測得的數(shù)據(jù)記為ω1，此時(shí)它與真北方向的夾角為θ。將比ω1大90°的位置所測的轉(zhuǎn)速記為ω2；比ω1大180°的位置的轉(zhuǎn)速記為ω3；比ω1大270°的位置的轉(zhuǎn)速記為ω4；此時(shí)根據(jù)陀螺的輸出公式可得結(jié)果如式（2）所示：

式中，ω為地球的自轉(zhuǎn)角速度，ψ為陀螺所處位置的緯度，θ為初始位置與真北方向的夾角，e為隨機(jī)誤差，e0為系統(tǒng)誤差。然后經(jīng)過一系列的三角運(yùn)算可得tanθ，其計(jì)算公式如式（3）所示：

利用反三角函數(shù)從而求出北向夾角θ，其公式如式（4）所示：

3.4 數(shù)據(jù)編幀模塊

在采集完數(shù)據(jù)之后下位機(jī)需要通過串口將數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)送給上位機(jī)。由于系統(tǒng)對(duì)多組數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，為了防止數(shù)據(jù)發(fā)生紊亂，因此對(duì)所采集的陀螺數(shù)據(jù)、加速度數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行編幀處理。系統(tǒng)采用90H 作為幀頭、91H 作為幀尾，用于識(shí)別每一幀的數(shù)據(jù)，其中幀頭后的四位數(shù)據(jù)為陀螺采集到的數(shù)據(jù)，之后為加速度計(jì)和溫度的數(shù)據(jù)。其具體的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)測試

在測量之前必須保證轉(zhuǎn)臺(tái)所處平面水平不能有任何的傾斜角度[15]。將陀螺垂直放進(jìn)轉(zhuǎn)臺(tái)中，接通電源開始進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。為了提高數(shù)據(jù)的精度，在每個(gè)位置進(jìn)行多次測量然后取平均值。上位機(jī)與下位機(jī)每經(jīng)過1 s 進(jìn)行一次數(shù)據(jù)通信，在每個(gè)位置采集1 min。之后控制轉(zhuǎn)位機(jī)進(jìn)行90°旋轉(zhuǎn)，再繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，按相同的操作進(jìn)行180°、270°數(shù)據(jù)的采集。將四個(gè)位置所得的角速度分別記為ω1、ω2、ω3、ω4，將所得結(jié)果帶入式（4）就可以得到初次測量位置距離北向的夾角。為了驗(yàn)證四位置法標(biāo)定的真北方向的精度，分別測量八個(gè)位置。其具體結(jié)果如表2 所示。

表2 光纖陀螺四位置法尋北結(jié)果

通過上位機(jī)對(duì)光纖陀螺進(jìn)行標(biāo)定后，此時(shí)上位機(jī)能夠準(zhǔn)確地顯示光纖陀螺與真北角相差的角度，該系統(tǒng)設(shè)置的光纖陀螺與真北角相差角度范圍為0°～360°[16]。通過設(shè)置上位機(jī)的尋北方法為四位置法，采樣時(shí)間為100 s，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為36 °/s，將四位置尋北算法作為測試模型，可以在上位機(jī)的航向角上實(shí)時(shí)顯示光纖陀螺的姿態(tài)角。圖6 為上位機(jī)的姿態(tài)角顯示圖。

圖6 上位機(jī)的姿態(tài)角顯示圖

將轉(zhuǎn)臺(tái)的初始位置放置在與北向相差45°的位置，將所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，然后根據(jù)上位機(jī)選擇的尋北算法，解算出當(dāng)前光纖陀螺的姿態(tài)角為45.03°，偏差0.03°，完全滿足指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

該文提出了一種基于ZYNQ 平臺(tái)的單軸光纖陀螺尋北儀的設(shè)計(jì)，分別從硬件和軟件方面描述了該尋北儀的設(shè)計(jì)思路。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，該尋北儀系統(tǒng)安全可靠、精度高，其誤差范圍在0.3°以內(nèi)，能很好地完成尋北任務(wù)。并且該系統(tǒng)靈活易攜，便于安裝和使用，能廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，有很高的實(shí)用價(jià)值。