摘 要:为提高寻北仪精度,设计了基于V/F变换的数据采集及信号处理系统。陀螺输出的微弱信号通过解调放大电路、专门的V/F变换电路和基于FPGA的信号处理电路,配以软件滤波算法,最终得到较精确的数据采集和处理结果。试验结果表明,该方法能有效去除陀螺输出信号中的噪声,采集的数据用于寻北仪解算能够得到精度较高的寻北结果。
寻北仪是军事领域很重要的指示方位的惯性仪表,可为雷达、坦克等载体提供北向基准。它利用陀螺仪测得地球自转角速率分量值和加速度计测得陀螺轴向水平误差角,经解算得到固联于其上的参考轴向与真北方向的夹角,从而得到载体的某一固定轴向与北向的夹角。寻北仪通过采集陀螺和加速度计输出,加速度计输出信号经A/D芯片转换成数字量,陀螺输出信号经V/F芯片转换成数字量并进行计数,然后通过数字滤波技术,最后解算出载体与北向的夹角。寻北仪数据采集的精确程度直接决定着寻北结果的精度,因此数据采集部分是寻北仪中的关键部分。
1 信号处理系统基本原理
本系统由V/F变换电路、数字信号处理电路、通讯及数字滤波部分组成。来自于陀螺解调放大电路的输入信号(已经模拟滤波),经本系统的处理后用于寻北解算。信号处理系统的工作流程框图如图1所示。
2 V/F变换电路
陀螺输出信号经放大和模拟滤波后进行V/F变换,将模拟的电压信号转换为数字信号;加速度计输出信号经A/D芯片转换为数字信号。陀螺输出信号的V/F变换部分由AD公司的电压频率转换芯片AD537实现。其性能特点是仅通过外部简单的RC网络测量频率可达100 kHz,电压可以达到±30 V,线性误差率低于每10 kHz±0.05%,单电源5~36 V供电,消耗电流1.2 mA,温度漂移低。V/F变换电路如图2所示。该芯片的电压频率变换式为
式中 GIN为陀螺输出信号(图2中GXIN、GYIN两路陀螺输出信号);G_F为GIN对应的频率。可通过调整电阻R1、R2和电容C来调整输出的频率。
3 信号处理
3.1 FPGA及EPC2配置芯片
在选择具体器件前先进行算法及硬件资源验证,通过在PC机上把所有要求FPGA实现的功能模块设计后进行布线、仿真,根据硬件资源需求情况选择相应型号的芯片。通过编译运行得到要实现设计功能需298个逻辑单元,考虑到系统的可扩展性,选用了Altera公司的FLEX10K系列FPGA芯片EPF10K20。
配置是对FPGA的内容进行编程的一个过程[3]。每次上电后需进行配置是基于SRAM工艺FPGA的一个特点。在FPGA内部有许多可编程的多路器、逻辑、互连线结点和RAM初始化内容等,都需要配置数据来控制。本文采用的配置方式为被动串行配置(PS)方式。在PS方式下,FPGA完全处于被动的地位。FPGA接收配置时钟、配置命令和配置数据,给出配置的状态信号及配置完成指示信号等。具体配置连接如图3所示。
在配置FPGA时,首先需要将引脚nCONFIG电平拉低,然后再拉高。当引脚nCONFIG电平被拉高后,FPGA的nSTATUS也将变高,表示这时已可开始配置,外部电路就可用DCLK的时钟上升沿一位一位地将配置数据写入到FPGA中。当最后一个比特数据写入后,CONF_DONE管脚被FP-GA释放,被外部的上拉电阻拉高,FPGA随即进入初始状态。在完成初始化过程后,FPGA正式进入用户模式。
3.2 信号处理软件
根据本系统实现较高的寻北解算结果,设计了相应的信号处理软件。首先对V/F转换后的GX_F和GY_F两路陀螺频率信号进行计数,计数结束后,通过串口方式将计数结果发送给单片机。软件流程如图4所示。
当FPGA收到单片机发送来的开始信号,开始计时及两路信号的计数,当计时时间到后结束对GX_F和GY_F信号的计数,在单片机的控制下两路计数结果通过通道选择器,最终通过FPGA内部的串口发送模块发送给单片机。上述功能是通过硬件描述语言(VHDL)编程实现,具体的软件模块构成如图5所示,每一个虚线框内为一个实体[4],每个实体又是通过一个或者几个进程[4]来实现其特有的功能。其中clk信号为时钟信号,通过对该信号进行计数实现定时的功能,由实体fen50和实体fnsh25s实现;start为单片机给出的开始计数信号,GX_F和GY_F分别为陀螺X轴和Y轴输出信号经V/F变换后的频率信号,当start为低时,实体VF_cnt开始对两路陀螺信号进行计数;实体serial实现串口发送功能,当定时时间到,实体serial把两路陀螺信号计数结果以串行方式发送给单片机。其中最核心的两大功能模块是实体VF_cnt和实体serial。根据经变换的陀螺输出信号的频率范围,确定每路信号计数器长度为4个字节。实体serial中波特率可根据输入时钟clk进行相应的设置,该实体中将波特率设置为9 600 bps,数据格式为1个起始位,8个数据位,1个停止位。
通过实验验证,FPGA发送出的数据有一个常值误差,因此,单片机进行滤波前只要将该常值误差扣除即可,这样数字电路对陀螺信号误差影响几乎为零。FPGA将计数结果发送给单片机后,通过数字滤波技术对其进行滤波,使得最终用于寻北解算的数据均方差很小,寻北解算精度高。
上述软件经仿真综合后就是实现过程,实现过程中最主要的是布局布线,即将综合输出的逻辑网表中的硬件原语或底层单元合理地配置到FPGA内部固有的硬件结构上,再利用FPGA内部各种连线资源合理正确连接各个元件的过程。使用FPGA厂商提供的软件工具,根据所选芯片的型号,将综合输出的逻辑网表适配到具体的FPGA器件上,这样就实现了上述实现过程。经这个过程后,FPGA就可以脱离PC机独立运行了。
4 结束语
基于V/F变换的高精度寻北仪信号处理系统,采用了FPGA芯片来实现信号处理与传输,使系统硬件结构简单,且由于系统功能都是由嵌入在FP-GA和单片机中的程序实现,因此系统可扩展性、可移植性及继承性都非常好,对于我们进行系列化产品生产很有意义,可降低产品的维护费用。
实验证明,基于V/F变换的信号处理系统为单片机解算提供了低噪声、高精度的解算数据,从源头上保证了寻北解算的高精度。但本系统只是降低寻北解算数据噪声的一种尝试,还有很多方法可尝试,比如将本系统的单片机换成运算速度更快的数字信号处理器(DSP),嵌入在DSP内部的滤波算法采用小波去噪法(比如样条小波算法、极大值去噪法或奇异性检测法等)以达到更好的滤波效果。另外一种尝试就是将整个寻北系统看作一个捷联惯导系统,通过实时计算姿态矩阵的方法获得更加精确的寻北解算公式。
参考文献:
[1]卜继军,魏贵玲,李勇健,等.陀螺寻北仪二位置寻北方案[J].中国惯性技术学报,2002,3(6):46-49.
[2]魏贵玲,卜继军,吕志清.寻北仪软件的模块化设计[J].压电与声光,2001,4(2):161-163.
[3]王 诚,吴继华,范丽珍,等. Altera FPGA/CPLD设计(基础篇)[M].北京:人民邮电出版社,2005.
[4]付家才. EDA工程实践技术[M].北京:化学工业出版社,2005.
本文作者：李宝林 卜继军
