Nios II實(shí)現二頻機抖陀螺工作電路設計

激光陀螺的工作原理是Sagnac效應，與傳統的機械陀螺相比，激光陀螺具有精度高、耐環(huán)境性能好、動(dòng)態(tài)性能好、啟動(dòng)時(shí)間短、壽命長(cháng)及數字式輸出等特點(diǎn)，是捷聯(lián)式慣性導航系統的理想元件。

　　二頻機抖陀螺工作電路包括高壓電源、抖動(dòng)驅動(dòng)與噪聲注入、穩頻和信號解調等部分。系統設計以軟核處理器為核心.實(shí)時(shí)控制穩頻、抖動(dòng)驅動(dòng)與噪聲注入和高壓電源等單元，并實(shí)現陀螺讀取信號的鑒相解調與數字濾波。

　　Nios II是Altera開(kāi)發(fā)的嵌入式軟核處理器，采用RISC精簡(jiǎn)指令集，具有外設可定制、可裁剪性等優(yōu)點(diǎn)，可方便嵌入Cvclone及Stratix系列 FPGA。陀螺信號處理系統中需要多種定制化的外設，而一般處理器無(wú)法滿(mǎn)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 系統結構設計

　　圖1為系統的功能原理框圖。圖中A、B為光電轉換器接收的拍頻信號過(guò)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?？赡嬗嫈灯鞲鶕较蛐盘枌γ}沖進(jìn)行可逆計數，而和頻計數器仍對脈沖進(jìn)行正向計數。低通濾波器對可逆計數器的計數值進(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分別與穩頻和抖動(dòng)電路通訊，以控制穩頻和抖動(dòng)參數。2個(gè)SPI接口分別控制A/D轉換和D/A轉換的部分。

　　考慮到系統資源要求，FPGA采用Altera公司生產(chǎn)的EP2C200240C8，它屬于Cyclone II系列，其內部資源主要有：多達兩萬(wàn)個(gè)邏輯處理單元(LE);52個(gè)M4K模塊，總共26 KB的片內RAM;26個(gè)18×18硬件乘法器;4個(gè)全局時(shí)鐘鎖相環(huán);多達142個(gè)外部引腳。系統選用快速型Nios II處理器，處理器占用3 000多個(gè)邏輯處理單元，工作時(shí)鐘為100 MHz。由于系統處理器程序運行在SDRAM中，所以在構建系統時(shí)要添加SDRAM控制器，SDRAM使用HY57V283220，其存儲空間為16 M字節，完全能夠滿(mǎn)足處理器實(shí)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(dòng)，所以在SoPC設計時(shí)添加外設EPCS控制器以引導程序的初始運行。

　　3 信號濾波實(shí)現

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

　　為了有效提取信號，通常是對可逆計數器的計數值(即式(3)的積分值)進(jìn)行濾波。