光纤陀螺监测系统设计

Ｉ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　

光纤陀螺监测系统设计　

王耀辉，杨小军　

（中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西西安７１０１　１９）　

摘　要：为了监测光纤陀螺在运行过程中因电源电压、电流及陀螺环境温度变化而直接影响其　

使用精度甚至系统运行出现故障等问题，设计了一种基于ＤＳＰ的实时自动数字监测系统，将监测到　

的陀螺运行状态数据通过ＬＣＤ显示；将采集到的温度信号通过接１３电路传递到温控系统；当监测到系　

统运行异常时可自动关闭系统以达到对陀螺的保护作用。本系统提高了光纤陀螺的可靠性及安全性。　

关键词：光纤陀螺；无缝接口；ＬＣＤ显示；数字自动监测系统　

中图分类号：ＴＰ２１６＋．１　文献标识码：Ａ　文章编号：０２５８—７９９８（２０１０）１０—０１１７—０３　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ＦＯＧ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　

ＷＡＮＧ　Ｙａｏ　Ｈｕｉ，ＹＡＮＧ　Ｘｉａｏ　Ｊｕｎ　

（Ｘｉ＇ａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｏｐｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｏｆ　ＣＡＳ，Ｘｉ’ａｎ　７１０１　１９，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ａ　ｒｅａｌ　ｔｉｍｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＤＳＰ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｍｏｎｉｔｏｒ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｖｏｌｔａｇｅ、ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＦＯＧ．Ｔｈｅｓｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｗｉｌｌ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ａｆｆｅｃｔ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＦＯＧ，ｅｖｅｎ　ｔｈｅ　

ｂｒｅａｋｄｏｗｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＦＯＧ．Ｔｈｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｄａｔａ　ｏｆ　ｔｈｅｓｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｗａｓ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｓｃｒｅｅｎｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＬＣＤ　ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｂｒｏｕｇｈｔ　ｂａｃｋ　ｔｏ　ｔｈｅ　ＰＣ．　Ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｓｅｎｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＦＰＧＡ．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｄａｔａ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ＦＯＧ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｉｎ　ａ　ｇｏｏｄ　ｓｔａｔｅ，ｔｈｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ＦＯＧ　ｓｈｕｔｄｏｗｎ．Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＦＯＧ　ａｒｅ　

ｅｎｈａｎｃｅｄ　ｂｙ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＦＯＧ；ｓｅａｍｌｅｓｓ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ；ＬＣＤ　ｄｉｓｐｌａｙ；ｄｉｇｉｔａｌ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　

光纤陀螺（ＦＯＧ）是以Ｓａｇｎａｃ效应为基础发展起来的　

新型全固态陀螺仪，是一种无机械转动部件的惯性测量　

元件，具有无运动和磨损部件、启动快、寿命长、体积　小、质量轻、耐冲击、精度高、动态范围大等优越性能，　

广泛用于军事和民用工业等领域…。光纤陀螺的性能受　

众多环境因素的影响，供电电压、电流及环境温度的变　

化是影响光纤陀螺性能的重要因素。对于这些影响光纤　

陀螺性能的因素进行有效的监测，有助于系统的故障检　

测和提高陀螺的使用精度，更重要的是对系统起到了一　

种实时保护作用。本文采用基于ＤＳＰ的数字自动监测　

电路，分别对电源电压、电流以及环境温度进行实时监　

测，并且将监测到的数据通过接口电路发送到ＰＣ和温　

控系统以及ＬＣＤ显示装置。　１系统设计　

系统工作原理：通过对系统工作时的电源电压、电　

流及环境温度信号进行调理、Ａ／Ｄ采样、滤波算法、待测　

《电子技术应用》２０１０年第３６卷第１０期　值计算算法等处理后得出系统的工作状态。电压信号通　

过信号调理电路后可以直接进行Ａ／Ｄ采样；电流信号　

先通过电流／电压转换电路，再通过信号调理电路，最后　

经Ａ／Ｄ采样；温度信号由温度传感器ＡＤ５９０获得，根据　

流过器件的电流（　Ａ）等于器件所处环境的热力学温度　

（开尔文）度数：Ｉ／Ｔ＝１即１　Ａ／Ｋ，串联一个电阻将电流信　

号转换成电压信号，Ａ／Ｄ采样后，由电压与温度的关系　得到温度值。ＮＴＣ热敏电阻测温时，主要原理是通过测　

得电阻值后，根据热敏电阻阻值与温度的关系转换成温　度值，所以，本系统采用四臂电桥法　来测量热敏电阻　的阻值。通过在高低温试验箱里实际测得的几组实验　

值，使用ＭＡＴＬＡＢ进行曲线拟合得到曳阻值与温度的　

关系。系统结构框图如图１所示。整个系统是以ＤＳＰ为　核心建立起来的，由于设计中涉及与ＦＰＧＡ温控系统通　

信、多路Ａ／Ｄ同时采样以及大量浮点型运算，如果使用　

传统的ＭＣＵ设计很难满足项目要求，因此选用ＤＳＰ作为　

１１７　ｉＩ睡ｌｌ８ｌ９ＩｌｌＩｌ墨ｌｉ８ｌｌ　ｌｉｌ圈Ｃｏｍｐｕｔｅ　Ｔｅｃｈｎ。・０ｇｙ　ａｎｄ・ｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　

系统的主处理器，ＤＳＰ不仅具有高速信号处理能力，同　

时也提供了丰富的片内外设资源和Ｉ／Ｏ端口，有助于提　

高系统集成度，降低硬件电路的设计难度。　

！兰　ｌ　与信号调理ｌ　

模　！兰　与信号调理ｌ　数　ＰＣ　转　ＤＳＰ　ＦＰＧＡＩ　换　Ａ　集　

ｌ采集与调理电路Ｊ　——ＦＯＧ［　

匝　

图１系统结构图　

４路信号首先经过信号调理电路，经Ａ／Ｄ转换后由　

ＤＭＡ传输至ＤＳＰ，处理器可以同时进行Ａ／Ｄ采样以及　对数据的综合计算，计算结果通过串口返回上位机，温　

度信息通过ＦＰＧＡ接口电路传送到温控系统，同时各种　

状态信息通过ＬＣＤ显示。　

２硬件电路设计　

实验电路需要选取合适的处理器以及传感器单元，　

同时由于传感器及各功能模块需要的工作电压各不相　

同，因此需要设计专门的电源模块为系统供电。此外，还　

需要设计各个接口电路。　２．１　ＤＳＰ处理器选择　根据系统设计需要，选择ＴＩ公司最新推出的　

ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５浮点型数字信号控制器作为主处理器，该　

芯片既集成了控制系统所需要的丰富外设资源，又具有强　

大的数据处理能力和优秀的Ｃ编译效率。与以往的顶点　

ＤＳＰ相比，该芯片的计算精度高，成本低，功耗小，性能高，　

同时它的Ａ／Ｄ转换更精确快速，并且主频高达１５０　ＭＨｚ。　

２．２传感器电路　电源电流检测采用Ｍａｘｉｍ公司生产的双向、精密电　

流传感放大器ＭＡＸ４７１来实现。ＭＡＸ４７１内置３５ｍＱ精　

密传感电阻，可测量电流的上下限为±３Ａ，通过外接２ｋｆｔ　电阻将被测电流转化为对地的电压。　

本系统设计了两路温度测量电路，一路为由ＡＤ５９０　温度传感器构成的温度测量系统；另一路为由负系数热　

敏电阻构成的温度测量系统。ＡＤ５９０温度传感器测温范　

围为：一５５℃～＋１５０℃，具有精度高，供电范围广等优点。　负系数热敏电阻的测温范围为一４Ｏ℃～＋７０℃，规定在　

２５℃时，它的电阻值约为１０　ｋｉｔ，通过高低温实验，测得　

不同温度下电阻值。在ＭＡＴＬＡＢ中拟合阻值与温度关系　曲线如图２所示。　

２．３　ＤＳＰ与ＦＰＧＡ通信电路　

本系统测量的温度值可作为光纤陀螺温控系统的　热敏电阻阻值／Ｍ２　图２热敏电阻阻值与温度拟合曲线　

参考值，因此需要设计两个系统的通信电路，以便有效　

及时准确地将温度信号传送到ＦＰＧＡ温控系统中。系统　

设计的ＦＰＧＡ与ＤＳＰ之间的无缝接口通过ＦＰＧＡ内部的　

异步ＦＩＦＯ数据缓冲器　来实现，如图３所示。　

Ｋ—　ＩＦＯ　图３利用ＦＰＧＡ内部ＦＩＦＯ数据缓冲器实现ＦＰＧＡ与ＤＳＰ的通信　

其工作原理：当ＤＳＰ有数据输出时，通过ＷＲ选通　ＦＩＦＯ数据缓冲器并开始数据传输，当ＦＩＦＯ数据缓冲器　

中接收的数据达到其容量的一半时，由ＦＵＬＬ发出半满　

“中断”信号到ＦＰＧＡ的ＩＮＴｘ，ＦＰＧＡ相应“中断”将一批　数据取走；当ＦＰＧＡ有数据输出时，同样是先将数据暂　

存在ＦＩＦ０中，当数据量达到其容量的一半时，由ＦＵＬＬ　发出半满信号至ＤＳＰ的ＩＮＴｘ，ＤＳＰ响应”中断”将一批数　

据取走，等待下一次中断的到来。在这期间，ＤＳＰ可以继　

续执行原来的算法程序，只需要在响应下一次中断时将　

数据取走即可，大大地提高了ＤＳＰ的工作效率，更大程　

度上发挥了ＤＳＰ和ＦＰＧＡ的性能，而且电路体积很小。　

２．４电源管理单元　

本设计中，各个功能模块需要多种不同的电压：＋５Ｖ　

为ＬＣＤ显示供电，＋３．３Ｖ为ＤＳＰ的Ｉ／Ｏ端口供电，＋１．９Ｖ　

为ＤＳＰ内核供电，＋１５Ｖ和一１５Ｖ为运放供电，＋ｌ５　Ｖ为　

ＡＤ５９０供电，另外需要精密电源＋５Ｖ为热敏电阻供电。　

１１８　欢迎网上投稿ＷＷＷ．ｃｈｉｎａａｅｔ．ｃｏｍ　

《电子技术应用》２０１０年第３６卷第１０期　所以，设计了专门的电路来产生系统所需的多种电压，　

本系统外部输入电压为－４－１５Ｖ和＋５Ｖ。　

热敏电阻所需要的精密＋５Ｖ电压源选用ＲＥＦ０２芯　片，该芯片可以提供＋５Ｖ的精密参考电压。由于ＤＳＰ是　

有次序地上电，因此选用ＴＩ公司的专用供电芯片　

ＴＰＳ７６７Ｄ３０１来产生ＤＳＰ需要的＋３．３Ｖ和４－１．９Ｖ电压。　

２．５其他电路设计　

串口通信单元主要完成电平转换，协助ＤＳＰ与上位　

机系统完成实时通信。此部分按照全双工模式设计，应　

用Ｍａｘｉｍ公司的全双工ＲＳ４８５收发器ＭＡＸ３４９，工作电　

压为３．３Ｖ，通信速率高达１０Ｍｂ／ｓ。　

液晶显示部分的主要功能为：显示测量的正负电压　值、正负电流值、两路温度值以及系统提示、报警提示信　

息。本系统使用１９２￣６４点阵式液晶显示器，８位并行的　数据接口。但是要注意的是：这款ＬＣＤ没有内置字库，需　

要自行建立。　

３系统软件设计　

系统软件流程图如图４所示，初始化后接收Ａ／Ｄ转　

换的数据结果，然后对转换的数据进行滤波算法处理，　最后计算相应的电压、电流温度值，并且将温度值传送给　

ＦＰＧＡ，所有的计算结果传回ＰＣ并经ＬＣＤ显示。　向用户编写的中断服务函数。　

（２）Ａ／Ｄ转换模块　

ＤＳＰ的Ａ／Ｄ采样模块可配置　

为双排序器同时采样模式［４１，这样　

可以对几路模拟信号同时进行采　样。连续采样Ⅳ次，经算术平均滤　

波算法处理后达到滤去随机干扰　

信号的目的。　（３）待测值计算算法　图５中断服务函数　

算法中要进行求指数、对数等运算，使直接调用库　

函数中的相关运算的执行速度很慢，因此，在软件开发　

中针对系统所需要的指数、对数函数都重新编写了运算　函数，采用查表和泰勒展开式结合的算法　，在满足精　

度要求的前提下尽量缩短运算时间。所采用的措施是用　

一些特殊点将所需计算的数值范围划分为不同区域，区　域内的值可用低阶数的泰勒展开式获得较高精度近似　

值，计算特殊点的值并且存储为表格。这样结合展开式　

和查表即可快速得到任意值的高精度近似值。　

（４）串口通信　

上位机与下位机采用异步串口传输，波特率为１　１５　２００　ｂ／ｓ。　

上位机使用ＶＢ语言编写串口通信及用户界面。上位机　

图４系统工作流程图　

软件主要包括初始化程序、Ａ／Ｄ采样转换、滤波算　

法、待测值计算算法、ＬＣＤ显示、串口通信等主要模块。　各模块说明如下：　

（１）初始化程序　

ＤＳＰ上电初始化的主要工作有：配置看门狗定时器