由于激光陀螺具有高精度、可靠性好,、性價(jià)比高,、適合高動(dòng)態(tài)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于國(guó)防工業(yè),、航天航海及工業(yè)控制等領(lǐng)域中的導(dǎo)航,、雷達(dá)與制導(dǎo)技術(shù)，成為目前慣導(dǎo)發(fā)展的主流方向,。高速,、高精度及高可靠性解調(diào)激光陀螺輸出信號(hào)成為目前研究重點(diǎn)。
   伴隨著FPGA芯片門數(shù),、工作頻率和數(shù)學(xué)運(yùn)算能力的提升,，尤其是其具有多任務(wù)和高速并行等特性優(yōu)點(diǎn)，使得數(shù)字信號(hào)處理的FPGA得到普遍應(yīng)用,，使之成為激光陀螺高速解調(diào)的理想實(shí)現(xiàn)方案,。
    激光陀螺的輸出信號(hào)中包含外界輸入角速度,、機(jī)械抖動(dòng)角速度兩部分信息，而機(jī)械抖動(dòng)信號(hào)又疊加了偽隨機(jī)噪聲,。針對(duì)激光陀螺解調(diào)的濾波器需衰減特別大,、精度特別高及后續(xù)處理方便等，本文提出了基于浮點(diǎn)運(yùn)算來設(shè)計(jì)濾波器,，來滿足信號(hào)濾波要求,。
1 濾波器原理及參數(shù)分析
1.1 濾波器原理
     常用數(shù)字濾波器有IIR和FIR兩種濾波方式。由于FIR濾波器通帶內(nèi)輸出相位延時(shí)是線性的,，而IIR是非線性的,，并且具有良好的線性相位和高穩(wěn)定性，在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛,，因此采用FIR濾波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1],。其輸入輸出函數(shù)如下：

1.2 濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)
    利用MATLAB中濾波器設(shè)計(jì)工具來設(shè)計(jì)滿足要求的FIR濾波器，在命令界面輸入FDATOOL打開濾波器設(shè)計(jì)環(huán)境[2],。
    由于外界輸入陀螺角速率頻率在0~20 Hz,，而需要濾掉的陀螺信號(hào)中的機(jī)械抖動(dòng)信號(hào)和隨機(jī)噪聲分別達(dá)到300 Hz左右和1 kHz以上。因此設(shè)計(jì)FIR低通濾波器,，規(guī)定截止頻率為100 Hz,，采樣頻率為10 kHz。得到濾波系數(shù),。
    將濾波系數(shù)的值a存入到FPGA內(nèi)部的ROM中,，而FPGA內(nèi)部ROM初始化數(shù)據(jù)只支持整型二進(jìn)制、十進(jìn)制和十六進(jìn)制三種數(shù)據(jù)類型,，因此需要把浮點(diǎn)數(shù)a表示為其機(jī)器碼,。由于FPGA中采用的是單精度浮點(diǎn)算法，而MATLAB中生成的濾波系數(shù)是雙精度浮點(diǎn)格式,，因此還需要將雙精度浮點(diǎn)轉(zhuǎn)換為單精度浮點(diǎn)格式,。在MATLAB中輸入如下命令得到a的十六進(jìn)制單精度機(jī)器碼b：
    >> b=single(a);
    >> format hex
    >> b
　    將b的值保存到后綴為.COE的文件中，用此文件來初始化FPGA內(nèi)部RAM,，并配置成只讀模式（ROM）,，得到FIR濾波器的系數(shù)ROM。
2 濾波器的FPGA實(shí)現(xiàn)
    濾波系數(shù)定點(diǎn)化就是對(duì)濾波系數(shù)乘以一個(gè)較大的系數(shù)然后取整,，用整數(shù)來近似替代浮點(diǎn)小數(shù),。濾波器的卷積過程也變成了定點(diǎn)運(yùn)算，濾波結(jié)束后對(duì)濾波結(jié)果除以所乘系數(shù)值便可得到近似的濾波結(jié)果[3],。這種方法使得濾波器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,、易于實(shí)現(xiàn)。但由于激光陀螺數(shù)據(jù)處理是一個(gè)對(duì)精度要求很高的領(lǐng)域，要達(dá)到這種高精度指標(biāo),，需要把系數(shù)整形化倍數(shù)提高到226以上,，這種誤差的引入對(duì)濾波精度有很大影響。若采用浮點(diǎn)運(yùn)算,，濾波系數(shù)也就采用浮點(diǎn)表示,，不會(huì)因?yàn)檎位瘞碚`差，輸入輸出范圍較大,，輸出也是標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)格式,。但由于FPGA內(nèi)部浮點(diǎn)運(yùn)算需自己建立運(yùn)算模塊，實(shí)現(xiàn)起來復(fù)雜,，一般只用在高精度寬量程領(lǐng)域,。
2.1 浮點(diǎn)數(shù)據(jù)格式
    目前計(jì)算機(jī)中常用的浮點(diǎn)格式是IEEE的單精度32位浮點(diǎn)表示方式以及64位的雙精度浮點(diǎn)表示方式。在FPGA和DSP中,最常用的是32位的浮點(diǎn)表示方式,。IEEE 754單精度浮點(diǎn)數(shù)可表示為如圖2所示格式,，其中符號(hào)位s一位，階碼e占8位,，為無符號(hào)數(shù),，但是e帶有127的偏移量，因此小數(shù)點(diǎn)的移動(dòng)位數(shù)為e-127,，尾數(shù)f占23位,，為定點(diǎn)部分?jǐn)?shù)值，但隱藏了1,，位數(shù)表示值為1.f,。

    按照IEEE 浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)[4]，浮點(diǎn)數(shù)X=(-1)S×2e-127×1.f,。本模塊中采用IEEE 32位單精度浮點(diǎn)格式,，因此對(duì)于IEEE中擴(kuò)展40位單精度和64位雙精度格式就不再進(jìn)行討論。
2.2 浮點(diǎn)加法模塊設(shè)計(jì)
    浮點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算過程較為復(fù)雜,，需要對(duì)加法的兩操作數(shù)進(jìn)行對(duì)階,、尾數(shù)運(yùn)算,、結(jié)果規(guī)格化及舍入處理等,。為了減少在加、減法器設(shè)計(jì)時(shí)的工作量,，采用XILINX自帶的浮點(diǎn)加減運(yùn)算IP核,，通過較簡(jiǎn)單的配置，便可以得到可用的浮點(diǎn)數(shù)加,、減模塊,。在FPGA程序設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過交換操作數(shù)的方法來避開浮點(diǎn)的減法運(yùn)算，因此只需生成浮點(diǎn)數(shù)加法模塊,，生成的模塊例化圖如圖3所示,。在ISE中對(duì)該模塊進(jìn)行仿真，同樣采用50 MHz的主時(shí)鐘,，仿真波形圖如圖4所示,。

   
    對(duì)該浮點(diǎn)乘法模塊進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證乘法器的功能,。由于XILINX仿真器中不能直接計(jì)算二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)的浮點(diǎn)數(shù)大小,，為了減少驗(yàn)證時(shí)手動(dòng)的計(jì)算量，采用與表1一樣的輸入數(shù)據(jù),，仿真波形如圖6所示,。

    從仿真結(jié)果中可得，三組輸入數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的輸出分別為：C6F50A00,、C1360000,、BD360000，對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)分別為：-31 365,、-11.375,、-0.032 714 843 75，對(duì)照表1可知計(jì)算結(jié)果正確,，設(shè)計(jì)的浮點(diǎn)乘法器能夠精確進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)的乘法運(yùn)算,，乘法周期大概為8個(gè)時(shí)鐘周期，模塊在50 MHz時(shí)鐘下工作正常,。
2.4 濾波器系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    基于以上設(shè)計(jì)的浮點(diǎn)加法器和浮點(diǎn)乘法器,，在FPGA中實(shí)現(xiàn)FIR濾波器。系統(tǒng)頂層原理圖如圖7所示,。

    系統(tǒng)控制邏輯控制firctrl模塊從wrom模塊中讀取浮點(diǎn)濾波系數(shù),、陀螺輸出計(jì)數(shù)值寫入firram模塊、計(jì)數(shù)值讀出firram以及浮點(diǎn)乘法模塊multfloat的運(yùn)算,，使得幾個(gè)模塊能在一定時(shí)序下穩(wěn)定工作,，firram模塊和firctrl模塊的配合實(shí)現(xiàn)了計(jì)數(shù)值的存儲(chǔ)及移位功能；浮點(diǎn)乘法器模塊還包括兩個(gè)18位×18位的乘法器的組合,，通過乘法分解,，實(shí)現(xiàn)了高位寬32位×32位乘法運(yùn)算；累加器模塊addfloat負(fù)責(zé)將浮點(diǎn)乘法器輸出值進(jìn)行累加并取位,。整個(gè)系統(tǒng)完成了FIR濾波結(jié)構(gòu)計(jì)數(shù)值和濾波系數(shù)的卷積過程,。
3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試
3.1陀螺靜態(tài)實(shí)驗(yàn)
    在靜態(tài)(只有地球自轉(zhuǎn))的情況下，利用本濾波器對(duì)機(jī)械抖動(dòng)激光陀螺的輸出解調(diào)性能進(jìn)行測(cè)試,，在上位機(jī)中以1 s為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和波形繪制,，上位機(jī)測(cè)試界面截圖如圖8所示,。

    從圖8中可以看出，靜態(tài)時(shí)對(duì)激光陀螺信號(hào)解調(diào)結(jié)果值波動(dòng)較小,，10 S平均值為5.202 8,。10 S方差為0.011 0，100 S方差為0.003 1,。300 S方差為0.001,，本濾波器能很好地完成激光陀螺輸出信號(hào)的解調(diào)，并且具有很高的精度和穩(wěn)定性,。
3.2 陀螺動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)
    為了驗(yàn)證專用濾波器的動(dòng)態(tài)性能,，需要在外界不同輸入角速率的情況下對(duì)進(jìn)行測(cè)試。將激光陀螺放置在標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)臺(tái)上,，讓轉(zhuǎn)臺(tái)處于不同轉(zhuǎn)速下,。測(cè)試過程中，轉(zhuǎn)臺(tái)會(huì)在每轉(zhuǎn)動(dòng)360°時(shí)對(duì)其外輸出一個(gè)定角脈沖,，脈沖寬度為2 μs左右,，讓濾波結(jié)果在定角脈沖沒有到來時(shí)一直累加，當(dāng)定角脈沖到來時(shí)向外發(fā)送一次數(shù)據(jù),，同時(shí)將累加器清零,。在去除地球自轉(zhuǎn)影響后，測(cè)試結(jié)果如表2所示,。

   由表2測(cè)試數(shù)據(jù)中可以看出,，在不同角速率的情況下，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)360°激光陀螺的輸出值相等,，由此可見本專用濾波器同時(shí)具有很高的精度和具有很大的動(dòng)態(tài)處理范圍,，能很好地完成對(duì)陀螺輸出數(shù)據(jù)的精確解調(diào)。
    通過軟件仿真,、靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試,，得到一系列測(cè)試數(shù)據(jù)。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,，本濾波器具有很高的濾波精度和很寬的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍,。基于以上實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)結(jié)果可知, 利用FPGA實(shí)現(xiàn)的浮點(diǎn)濾波算法,，能滿足對(duì)激光陀螺信號(hào)精度和響應(yīng)速度具有苛刻要求的應(yīng)用場(chǎng)合,。
參考文獻(xiàn)
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