激光陀螺的工作原理是Sagnac效應(yīng),，與傳統(tǒng)的機械陀螺相比，激光陀螺具有精度高,、耐環(huán)境性能好,、動態(tài)性能好、啟動時間短,、壽命長及數(shù)字式輸出等特點,，是捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的理想元件。

　　二頻機抖陀螺工作電路包括高壓電源,、抖動驅(qū)動與噪聲注入,、穩(wěn)頻和信號解調(diào)等部分。系統(tǒng)設(shè)計以軟核處理器為核心.實時控制穩(wěn)頻,、抖動驅(qū)動與噪聲注入和高壓電源等單元,，并實現(xiàn)陀螺讀取信號的鑒相解調(diào)與數(shù)字濾波。

　　Nios II是Altera開發(fā)的嵌入式軟核處理器,，采用RISC精簡指令集,，具有外設(shè)可定制、可裁剪性等優(yōu)點,，可方便嵌入Cvclone及Stratix系列 FPGA,。陀螺信號處理系統(tǒng)中需要多種定制化的外設(shè)，而一般處理器無法滿足這種要求,，因此NiosⅡ軟核處理器是處理激光陀螺陀螺信號的理想選擇,。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　圖1為系統(tǒng)的功能原理框圖。圖中A,、B為光電轉(zhuǎn)換器接收的拍頻信號過零比較后產(chǎn)生的方波信號,，這兩路方波信號經(jīng)跳變檢測和鑒相后產(chǎn)生跳變脈沖和方向信號?？赡嬗嫈?shù)器根據(jù)方向信號對脈沖進(jìn)行可逆計數(shù),，而和頻計數(shù)器仍對脈沖進(jìn)行正向計數(shù)。低通濾波器對可逆計數(shù)器的計數(shù)值進(jìn)行濾波,，并將濾波值輸入到處理器,。UART1和上位機通訊，而UART2和UART3分別與穩(wěn)頻和抖動電路通訊,，以控制穩(wěn)頻和抖動參數(shù),。2個SPI接口分別控制A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換的部分。

　　考慮到系統(tǒng)資源要求,，F(xiàn)PGA采用Altera公司生產(chǎn)的EP2C200240C8,，它屬于Cyclone II系列,，其內(nèi)部資源主要有：多達(dá)兩萬個邏輯處理單元(LE);52個M4K模塊，總共26 KB的片內(nèi)RAM;26個18×18硬件乘法器;4個全局時鐘鎖相環(huán);多達(dá)142個外部引腳,。系統(tǒng)選用快速型Nios II處理器,，處理器占用3 000多個邏輯處理單元，工作時鐘為100 MHz,。由于系統(tǒng)處理器程序運行在SDRAM中,，所以在構(gòu)建系統(tǒng)時要添加SDRAM控制器，SDRAM使用HY57V283220,，其存儲空間為16 M字節(jié),，完全能夠滿足處理器實際需求。處理器程序固件和FPGA的配置信息存儲在EPCS串行配置器件中,，這樣可減少一片外置Flash,。因為程序從 EPCS啟動，所以在SoPC設(shè)計時添加外設(shè)EPCS控制器以引導(dǎo)程序的初始運行,。

　　3 信號濾波實現(xiàn)

　　激光陀螺的讀取信號是由兩個光電管經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的,，工藝上要保證兩個光電管的拍頻相位相差90°，這樣便于在信號處理時進(jìn)行相位檢測,。為了盡量減小鎖區(qū)帶來的誤差,，一般在陀螺中加入一個正負(fù)交變的正弦偏頻信號：

　　為了有效提取信號，通常是對可逆計數(shù)器的計數(shù)值(即式(3)的積分值)進(jìn)行濾波,。這里采用FIR數(shù)字低通濾波器,，如果FIR濾波器的系數(shù)對稱，則具有精確,、嚴(yán)格的線性相位,，這正是實際導(dǎo)航應(yīng)用所要求的。為了兼顧實時性和防止信號產(chǎn)生混迭,，設(shè)定采樣率為2 kHz,，采用高階FIR濾波器。

　　圖2為1 s內(nèi)采集的可逆計數(shù)器的輸出信號,，從圖中可看出：有用信號已被抖動信號和量化噪聲完全覆蓋,。圖3為信號的功率譜，從圖中可看到,，抖動信號在功率譜中占很大分量(功率譜的最大值處的頻率對應(yīng)抖動頻率),，還原出被測量信號必須對可逆計數(shù)器的輸出信號進(jìn)行低通濾波，以濾除抖動及其他雜散信號,。圖4為濾波后的脈沖輸出，不同于圖2,，從圖4中可清楚地看出：在2 000點(即1 s時間內(nèi))恒定地球轉(zhuǎn)速下累計約15個信號脈沖,。

　　可編程邏輯器件為FIR濾波器的設(shè)計提供高靈活性,，可采取多種結(jié)構(gòu)，例如并行流水線結(jié)構(gòu),、串行結(jié)構(gòu)等,。考慮到采樣率相對不是很高,，為節(jié)約系統(tǒng)資源,，這里采用自行設(shè)計的串行結(jié)構(gòu)濾波。

　　4 接口部分

　　由于陀螺工作的外界條件不同,，陀螺工作的最佳參數(shù)可能也不相同,，這就要求處理器能夠根據(jù)需要實時調(diào)整測試電路參數(shù)，并實時監(jiān)控電路和陀螺狀態(tài),，對出現(xiàn)的問題能夠自我感知,。UART1為面向上位機的通訊接口，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后通過RS232線纜連接至計算機.它一方面接收計算機的控制參數(shù),，另一方面將采集的數(shù)據(jù)傳至計算機,。

　　4.1 抖動穩(wěn)頻控制

　　UART2與穩(wěn)頻板相連接，它對穩(wěn)頻電路的控制主要包括：(1)控制穩(wěn)頻電路的開啟或關(guān)閉;(2)監(jiān)測穩(wěn)頻是否異常;(3)實時讀取光強和控制電壓值,。

　　而UART3是與抖動電路通訊的接口,，它對抖動電路的控制主要包括：(1)控制抖動電路的開啟或關(guān)閉;(2)監(jiān)測抖動是否異常，監(jiān)測抖動頻率;(3)下載噪聲表,。UART2和UART3由于傳輸距離不是很長,，設(shè)計中直接采用3.3 V電平，無需電平轉(zhuǎn)換,，經(jīng)實際測試,，沒有出現(xiàn)誤碼，通訊穩(wěn)定,。

　　4.2 A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換部分

　　A/D轉(zhuǎn)換部分負(fù)責(zé)采集溫度,、光強、控制電壓等模擬信息,，同時采集陀螺內(nèi)部溫度,，實現(xiàn)溫度補償，該系統(tǒng)選用ADS8344,。ADS8344是一款高性能,、低功耗的16位的A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)有高精度基準(zhǔn)電壓,，最大采樣頻率為100 kHz,，信噪比達(dá)84 dB，包含8個單端模擬輸人通道(CH0～CH7),，參考電壓VRFF范圍為500 mV~VCC,。ADS834通過三線SPI接口與Nios II處理器通訊,。為了控制環(huán)形激光器的工作電流，D/A轉(zhuǎn)換部分采用具有雙路輸出的12位D/A轉(zhuǎn)換器AD5322,，該器件具有超小體積,，超小功耗的特點，完全與Nios II處理器SPI接口兼容,。

　　5 實驗及結(jié)論

　　按照上述設(shè)計結(jié)構(gòu),，研制以嵌入式軟核處理器Nios II為核心的二頻機械抖動激光陀螺信號處理系統(tǒng)，并對某型國產(chǎn)二頻機抖陀螺進(jìn)行實際測試,，測試數(shù)據(jù)如表1所示,。

　　經(jīng)長時間測試檢驗，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠,，能夠有效控制與監(jiān)測陀螺的運行工作參數(shù),，達(dá)到預(yù)期設(shè)計要求。