引言
姿态测量是惯性技术应用的一个重要领域，利用角敏感传感器测量载体的角运动信息，通过解算获取载体的运动姿态，包括航向、俯仰、横滚等姿态信息，用于载体的姿态测量、控制或跟踪中，广泛应用于空间飞行器、无人机、航空电子系统、平台稳定、资源勘探等领域。根据不同的应用领域和要求，姿态测量可以采用不同的测量手段以及不同的硬件配置。随着计算机技术的发展，现在一般采用捷联技术实现载体的三维姿态的测量。
在捷联系统中，由于坐标系的建立以及姿态的解算全部由计算机完成，因此计算机是系统的核心，特别是在姿态谱测量中由于更强调实时性和连续性，因此其对计算机的要求更高。目前在捷联系统中应用较多的计算机是PC104 和DSP。由于PC104 本身具有数据记录功能，且开发简单方便，因此其在捷联系统中得到了广泛的应用。本文将详细介绍一种基于PC104 的姿态测量系统应用于路谱测量时的信号处理电路的设计方法。
1、路谱测量系统简介
路谱测量系统是以某靶场各种自行武器动态模拟实验中自行武器路谱采集和复现的实际需要为背景，通过实时采集自行武器在各种典型路面上运动时的姿态谱信息，并在内场动态模拟实验时实时产生真实姿态谱激励信号并同时监控动态模拟系统的响应情况，以达到测试和评价自行武器上武器装备的运动性能的目的。
系统原理框图如图1 所示，主要由传感器模块和信号处理模块组成。其中传感器模块由三个机抖激光陀螺及其外围电路和一个双轴电子倾角仪构成，三个相互垂直安装的激光陀螺用于测量载体的三个姿态角，电子倾角仪用于系统的初始对准。信号处理模块由激光陀螺输出信号处理电路、姿态计算机与系统控制电路和角姿态模拟信号输出电路组成[1,2]，它是测量系统的核心部分。
传感器模块中每个机抖激光陀螺的输出信号是带有偏频信息和角姿态信息的双路数字频率信号，因此角姿态信号处理电路实现对三路陀螺输出的数字频率信号的处理和偏频解调，输出与角姿态信息成正比的数字信号，供姿态计算机求解和保存角姿态信息，求解得到的三个角姿态和瞬时角速率信息一方面通过RS-232C 串口输出到上位机，另一方面送给模拟信号输出电路转换为电压信号实时输出。
2、系统硬件设计
图1 中的信号处理模块除姿态计算机PC104 和数模转换电路外，其它功能均由FPGA 电路实现，系统的信号处理模块的主要结构如图2 所示。
2.1 PC104
PC104 是系统的核心部件，其主要功能是检测各传感器及其外围电路的工作状态;通过总线读入经过解调处理后的激光陀螺的输出数据;解算初始姿态角，实现初始对准;实时解算和保存载体的三个姿态角信息和三个瞬时角速率信息;实时将姿态信息通过通信接口传输给上位机和通过D/A 接口转换为对应的模拟量输出。
选用盛博公司的军品级PC104，其主要配置为：主频为100MHz 的486DX CPU，16MB 内存，64MB 电子硬盘，2 个RS 232 串口。
2.2 电平转换电路
由于PC104 总线信号和3 路陀螺输出信号均为TTL 电平，而FPGA 电路要求LVTTL 电平信号。因此在进行PC104 和FPGA 的接口设计时需对TTL 电平信号和LVTTL 电平信号进行双向电平转换[3]。
电平转换电路由3 片74ALVC164245 双向电平转换器[4]实现，74ALVC164245 是Philips 公司生产的16 路电平转换器，可以在TTL 电平和LVTTL 电平之间进行双向电平转换，并且输出具有三态功能。74ALVC164245 的内部结构如图3 所示，由两组8 路双向电平转换器构成，端口1DIR、2DIR 、1A1～1A8 和2A1～2A8 为LVTTL 电平标准，端口1OE 、2OE、1B1～1B8 和2B1～2B8 为TTL 电平标准。端口1DIR 和2DIR 用于控制每组电平转换器的输入输出方向，端口1OE 和2OE 为三态输出控制端口。
2.3 FPGA 电路
FPGA 电路的主要作用是对3 路陀螺输出的数字频率信号进行计数，从而得到载体的三个转动角度;另外，FPGA 电路还提供PC104 接口和D/A 接口。
FPGA 电路选用Altera 公司生产的Cyclone 系列的EP1C3TI144[5]实现，它具有速度高、成本低和使用方便等优点。FPGA 电路的主要功能包括3 个激光陀螺输出信号的偏频解调和计数测量电路模块、1 个PC104 接口模块和3 个D/A 接口模块组成。
2.4 D/A 转换电路
D/A 电路的主要功能是将陀螺输出的用数字信号表示的载体的角度和角速度信号转换为电压信号输出。在路谱复现过程中，系统以模拟信号形式实时给出试件动坐标系下的三个角度或角速度信息，模拟量输出为三个独立的接口，分别对应三个陀螺信号的输出。
每路D/A 电路主要由AD760AQ 芯片[6]构成。AD760AQ 是Analog Devices 公司生产的18 位高精度数模转换芯片，具有精度高和使用方便等优点。AD760 与PC104 的接口示意图如图4 所示。
图中，SA[19:0] 为PC104 地址总线，SD[15:0] 为PC104 数据总线，SMEMRn 为PC104 内存读信号，SMEMWn 为PC104 内存写信号，MEMCS16n 为PC104 内存访问16 位模式选择信号，IOCHRDY 为PC104 的IO 设备准备好信号，INT 为PC104 中断信号;CLRn 为AD760 复位信号;SIN 为AD760 串行数据输入信号，CSn 为AD760 片选信号，LDAC 为AD760 载入数据信号。
3、系统软件设计
路谱测量系统软件的功能主要是完成激光陀螺输出信号的采集，并将采集的数据处理后，一方面将陀螺信号转换为姿态信息存储在电子硬盘上并通过串口输出，另一方面将处理后的载体的三维姿态信息转换为模拟量输出。
软件流程示意图如图5 所示。
4、结束语
本文作者创新点：采用捷联姿态谱测量技术，并采用PC104 作为姿态计算机，简化了系统的设计。对基于PC104 的姿态谱测量系统的信号处理电路进行了详细的软硬件设计。该系统已完成研制并成功应用于某基地自行武器的路谱录取和内场仿真试验中。测试和试验结果表明，该系统具有较高的可靠性和抗干扰能力，测量精度高。系统的软硬件设计方法对进行其它类似装备的设计具有较好的参考价值。
参考文献
[1] 高伯龙，李树棠.激光陀螺[M].长沙:国防科技大学出版社，1984
[2] 陈哲编著.捷联惯导系统原理[M].北京：宇航出版社，1986
[3] 李胜军,李鸣,段修生,处传兵.数字集成电路逻辑电平接口技术研究[J].微计算机信息，2004.11
[4] Philips Semiconductors. 74ALVC164245 16-bit dual supply translating transceiver. Philips Semiconductors, 2004
[5] Altera Corporation. Cyclone Device Handbook. Altera Corporation, 2005
[6] Analog Devices. 16/18-Bit Self-Calibrating Serial/Byte DACPORT. Analog Devices, 1995
