基于FPGA的數字閉環(huán)光纖陀螺儀模擬表頭設計

　　摘 要：光纖陀螺儀是一種用來(lái)測量角速度的傳感器。為了檢測調制解調電路是否符合設計要求，并提高陀螺的實(shí)際應用精度，本文設計了一種基于FPGA的光纖陀螺儀模擬表頭及其測試系統，能有效地檢測調制解調電路的性能。

　　關(guān)鍵詞：光纖陀螺;模擬表頭;FPGA;Verilog HDL

　　光纖陀螺是激光陀螺的一種，是慣性技術(shù)和光電子技術(shù)緊密結合的產(chǎn)物。它利用Sagnac干涉效應，用光纖構成環(huán)形光路，并檢測出隨光纖環(huán)的轉動(dòng)而產(chǎn)生的兩路超輻射光束之間的相位差，由此計算出光纖環(huán)旋轉的角速度。光纖陀螺儀主要由兩個(gè)部分組成。伺服于表頭的調制解調電路根據輸入的電信號，經(jīng)過(guò)相應的變換后形成反饋信號送至表頭的相位調制器中。在實(shí)際的應用過(guò)程中，相應的調制解調電路應該根據溫度、振動(dòng)等情況做出相應的改變，才能最大限度地保證陀螺的精度要求。本文設計了一種基于FPGA的測試系統，模擬光纖陀螺儀的表頭，并檢測調制解調電路的性能。

　　模擬表頭的基本原理及結構

　　表頭的主要功能是將Sagnac效應產(chǎn)生的光程差所引起的相位變化通過(guò)回路耦合器轉換為光功率的變化，再通過(guò)探測器探測后以電信號的形式輸出至調制解調電路中。數字閉環(huán)光纖陀螺儀系統結構見(jiàn)圖1。從調制解調電路中采樣來(lái)的原始參數值，經(jīng)過(guò)模擬表頭內數字信號處理，可將輸入調制解調電路的實(shí)際表頭信號還原出來(lái)。得到初始還原值之后，通過(guò)在模擬表頭中進(jìn)行修改、加載不同類(lèi)型的參數值，從而檢測調制解調電路中相應的性能指標。

　　圖1 數字閉環(huán)光纖陀螺儀系統結構圖

　　本文所設計的模擬表頭系統遵循了一般數字閉環(huán)光纖陀螺系統的基本原理，在系統結構上發(fā)生了變化。調制解調電路在本系統中處于被動(dòng)地位，而表頭作為系統的主體。同時(shí)，用一個(gè)自主設計的電路系統代替了光纖陀螺儀的表頭部分。模擬表頭及其測試系統的結構如圖2所示。

　　圖2 模擬表頭及其測試系統框圖

　　圖中，PC上位機的工作十分重要，它不僅控制調制解調電路和模擬表頭系統的協(xié)同工作，而且要將所采集來(lái)的數據進(jìn)行分析整理，并完成關(guān)鍵的軟件編寫(xiě)和植入工作。

　　模擬表頭系統的硬件設計

　　根據理論分析，本文設計出基于FPGA的模擬表頭硬件系統，如圖3所示。

　　圖3 基于FPGA的光纖陀螺模擬表頭硬件連接圖

　　在這個(gè)閉環(huán)系統中，需要采集的主要信號是調制解調電路中的相位反饋信號。根據反饋信號的特點(diǎn)，選用運算量不大但處理速度快的FPGA作為信號處理的主要器件。在本方案中，考慮到成本和實(shí)際運算量，選取XC3S100E FPGA芯片。

　　本系統采用