用于單軸旋轉慣導系統的非接觸信號傳輸技術

高 巖，陳京誼，趙寅秋

(航天科工慣性技術有限公司,北京 100074)

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用于單軸旋轉慣導系統的非接觸信號傳輸技術

高 巖，陳京誼，趙寅秋

(航天科工慣性技術有限公司,北京 100074)

針對旋轉慣導系統內使用的導電滑環具有壽命低、可靠性差、傳輸信號帶寬窄的缺點，設計了一種基于激光通信的非接觸信號傳輸裝置，用于代替導電滑環傳輸電信號，可大大提高使用壽命、傳輸信號精度、可靠性和帶寬。文中詳細介紹了裝置的設計原理、技術實現及驗證，該裝置具有RS232、RS422、CAN、TTL等多種輸入輸出接口，可滿足大部分慣導系統信號傳輸要求，有效傳輸距離為20～80mm，經過各個環節的精密設計，可保證10-7量級的傳輸精度，通過各種測試充分驗證了該裝置代替導電滑環傳輸電信號的可行性，為提高旋轉慣導的可靠性奠定基礎。

旋轉慣導；非接觸；導電滑環；激光通信

0 引言

為了提高慣性導航系統的精度，一般采用旋轉慣導技術以補償慣性元件漂移對導航精度的影響。該技術相當于在慣導系統的外部添加旋轉和控制機構，使慣性元件在慣導系統的一個轉動周期內產生的常值漂移與導航產生的誤差相互抵消。然而目前該旋轉慣導技術中普遍采用的用以傳輸供電和數據信號的導電滑環在旋轉時電刷觸點與環體接觸并產生摩擦，因而導致采用該技術的旋轉慣導系統具有壽命低、抗電磁干擾差、信號傳輸帶寬窄等問題，愈發不能適應設備發展的需要[4]。

本文提出了一種以近距離無線光通信為基礎的非接觸信號傳輸裝置，用來代替旋轉慣導中的導電滑環傳輸數據信號。結合現有的非接觸電能傳輸裝置，可完全取代導電滑環進行電能和數據信號的傳輸。由于無線光通信是以激光為載波，通過大氣信道進行信息傳輸的通信方式，只要路徑無遮擋，通過合理的電路設計和光學設計，信號就可以順利地到達另一端。且無線光通信具有速率高、頻帶寬、信息容量大等優點，發射、接收無需接觸，因此，可做為相對旋轉結構設備信號傳輸的最佳選擇。

圖1 旋轉慣導一般組成Fig.1 General composition of rotating INS

1 旋轉慣導對非接觸傳輸技術的需求

一般，旋轉慣導主要由慣性元件、預處理電路、二次電源轉換模塊、導航計算機、導電滑環、電機及其驅動控制電路等幾大部分。慣性元件包括加速度計和陀螺儀，用于感知運載體的線加速度和角加速度，通過計算得到運載體的位置、速度、姿態，達到導航的目的。旋轉慣導各主要組成部分電氣連接關系如圖1所示，位于旋轉端和固定端的電氣連接如供電、信號均是通過導電滑環來傳輸的，但導電滑環觸點與環體長期摩擦，會導致性能下降、可靠性低、抗電磁干擾能力差，對于高速的數字信號，傳輸衰減大。而本設計中的非接觸信號傳輸裝置，能夠代替導電滑環傳輸高速信號，彌補了導電滑環的不足。

圖2 非接觸信號傳輸裝置與旋轉慣導的連接Fig.2 Connection between non-contacted signal transmission device and rotating INS

在旋轉慣導中應用了非接觸信號傳輸裝置和非接觸電能傳輸裝置后，組成原理如圖2所示。位于旋轉部分的旋轉慣導預處理電路和位于固定部分的導航計算機之間的通信不再通過導電滑環，而是經過非接觸信號傳輸裝置，旋轉慣導預處理電路發出的信號，經非接觸信號傳輸裝置的旋轉端處理電路，轉換成光信號，發往固定端處理電路再轉換成原來的電信號，送往導航計算機，反之亦然。

2 非接觸信號傳輸裝置的技術實現

2.1 信號轉換模塊總體設計 經多方調研，為滿足大部分旋轉慣導的通訊要求，裝置至少應具備2路RS422收發雙向接口、2路RS232收發雙向接口、1路CAN總線接口，用于導航機與預處理電路之間信息交互；3路TTL信號接口，用于復位和同步，RS422、RS232、CAN總線通信誤碼率不大于10-6，TTL信號波形展寬誤差不大于1μs，信號延遲時間不大于2μs。針對上述要求，選擇近距離無線光通信的方案，該方案具有成本低、安裝簡單、快捷等優點,如圖2所示，非接觸信號傳輸裝置由固定端信號轉換模塊和旋轉端信號轉換模塊組成，兩端電路是一對互逆的電路處理關系，為使電路簡化，采用通用設計，組成結構相同，每塊電路均由供電單元、電平轉換單元、FPGA單元、電/光轉換單元、光/電轉換單元、光學天線等幾大部分組成。信號轉換模塊組成原理如圖3所示。

圖3 旋轉(固定)端信號轉換模塊原理Fig.3 Principle of signal conversion module on rotating(fixed) end

2.2 信號轉換模塊總體設計

2.2.1 供電單元

兩端電路均為+5V供電，功率不大于5W。

每塊電路內部均需要+5V、+3.3V、+2.5V、+1.2V供電，其中，+5V供電直接由來自外部的+5V提供，+3.3V由LINEAR的電源芯片LT1764A-3.3產生，+2.5V由TI的REG1117A-2.5產生，+1.2V由TI的REG1117A產生。

2.2.2 電平轉換電路

電平轉換電路的功能是將輸入輸出的多路電信號的信號電平格式轉換成與FPGA輸入輸出端口相匹配的電平格式。

RS422電平轉LVTTL電平采用DS26C32實現，LVTTL電平轉RS422電平采用DS26C31實現，RS232電平轉LVTTL電平和LVTTL電平轉RS232電平采用MAX205實現，TTL電平與LVTTL電平的轉換采用SN74ALVTH16245實現，CAN信號與LVTTL電平轉換采用SJA1050實現。

2.2.3 FPGA處理單元

FPGA單元采用硬件描述語言，主要實現將輸入的多路電信號按一定碼型規則進行編碼，編碼后以1路串行數據流按bit位1位1位輸出，輸出頻率由系統時鐘分頻所得，同時，FPGA單元接收光/電轉換單元輸出的1路串行數據信號和1路時鐘信號，將其按規則解碼恢復出原信號，解碼的時鐘由時鐘數據恢復電路提供。FPGA采用Xilinx的XCS3S250及其外圍器件組成，該器件具有功率低，響應速度快的優點。

為保證信號精度指標，裝置設計中對多路(9路)輸入電信號進行10倍過采樣，然后由FPGA把過采樣數據編碼成1路數字信號，經電/光轉換后以光信號發出，采樣時鐘為62.5MHz，對方接收后，仍需要用62.5MHz的解碼時鐘，將數據1位1位的分配到各個電信號接口，恢復出原信號[1]。

2.2.4 電/光轉換單元

電/光轉換單元用于將編碼后的電信號轉換成光信號發射出去，由接口轉換電路、激光器驅動電路、激光器等組成，接口轉換電路將FPGA輸出的電信號電平格式轉換成驅動電路可接收的格式提供給激光器驅動電路，激光器驅動電路再將輸入的信號進行放大，驅動激光器發光，將串行脈沖碼發射出去。

接口轉換電路采用MAXINM的MAX9371來實現，將FPGA輸出的TTL電平轉換為LVPECL電平輸出給后端的激光器驅動電路；激光器驅動電路采用MAX3738來實現；激光器采用半導體激光器，中心波長為850nm，激光器內集成監測探測器“PD”，用來監視激光器發光強弱的，驅動器可根據激光發光強弱進行功率調整。

2.2.5 光/電轉換單元

光/電轉換單元功能是接收對端光信號，并轉換成電信號，此時的信號是對端經過編碼的串行信號。電路由線性放大電路、限幅放大電路、時鐘數據恢復電路、光電探測器組成，線性放大電路將光電探測器輸出的弱電信號進行高倍放大，能夠被后端電路識別；限幅放大電路將前端信號放大，并將信號幅度限定在后端電路可接收的范圍內。

光電探測器采用高靈敏度的硅雪崩光電二極AD500系列，具有極高的靈敏度，可探測微弱的光信號。線性放大電路采用兩級放大，第一級為高倍數放大，第二級為低倍數放大，主要用于阻抗匹配和緩沖，放大器采用射頻放大器AD8350來實現，該芯片工作頻率為1.2GHz，滿足裝置的設計要求。限幅放大電路和時鐘數據恢復電路采用集成芯片ADN2814來實現，該芯片是AD公司生產的專用于時鐘和數據恢復的器件，ADN2814可接收的輸入信號頻率為10～675MHz，無需外部參考時鐘即可將輸入信號的頻率時鐘信號恢復出來。

2.2.6 光路設計

圖4 非接觸信號傳輸光路Fig.4 Optical path of non-contacted signal transmission

光路設計主要包括光發射天線和光接收天線的設計。發射天線將激光器發出的光束進行擴束，以一定的發散角發射出去，若要保證足夠光功率能夠到達對端，則需盡量減小光功率的幾何損耗，由于旋轉慣導的旋轉動作，則要求光發射到對端的光斑完全覆蓋住發射天線和接收天線，即光有效區域，這樣，無論怎么旋轉，對端都能接收到光信號。設計中，發射天線由凹透鏡構成，光經凹透鏡天線以全角50°發射，傳輸距離為30mm，如圖4所示，光斑直徑D應按如下公式計算

D=2Ltan25°

(1)

將L=30mm代入，得到D16mm，而設計中，發射天線和接收天線所處的光有效區域直徑為8mm，發射端與接收端在相對旋轉時的軸向偏差不大于0.1mm，因此，可順利的進行信號傳輸。

光接收天線將對端發射過來的光進行聚攏接收，送往光電探測器并濾波。設計中，接收天線采用凸透鏡與濾光片組合而成，濾光片位于凸透鏡與光電探測器的中間，由于激光器工作波長為850nm，因此，濾光片的設計使850nm中心波長的光通過，避免了其他雜散光的干擾。

3 非接觸信號傳輸裝置的測試及驗證

裝置樣機設計完成后，需進行全面性能指標測試，充分驗證其代替導電滑環進行旋轉慣導信號傳輸的可行性。

3.1 測試平臺搭建

測試平臺組成及工作原理如圖5所示。主要由工控機、直流電源、示波器三大部分組成，工控機用來提供多路接口的輸入信號和輸出信號的采集、測試結果顯示等，直流電源用來提供固定端信號轉換模塊和旋轉端信號轉換模塊的兩路+5V供電，示波器用來監測光通信是否正常。其中，為了能夠全面測試各個輸入輸出接口的通信功能與性能指標，工控機內需安裝相應的功能板卡，計算機總線采用PCI總線，功能板卡提供以下接口：

1)提供4路RS422通訊接口；

2)提供4路RS232通訊接口；

3)提供8路TTL脈沖輸出和8路32位計數器功能；

4)提供2路CAN總線通訊接口。

測試平臺與信號轉換模塊模塊之間連接關系如圖5所示。

圖5 測試平臺組成及原理Fig.5 Composition and principle of test platform

3.2 測試過程及結果

模擬旋轉慣導旋轉姿態的測試工裝如圖6所示。旋轉工作臺由一個三方向可調節的支架和一個可旋轉的軸承來模擬，旋轉端處理電路安裝在軸承的旋轉平面上，固定工作臺由一個三方向可調節的支架來模擬，固定端處理電路就安裝在支架上。通過調節支架上的旋鈕，可以上下、前后、左右調節兩個電路板中心的相對位置，使光發射、接收天線對準，保證發射出去的光斑能夠覆蓋到對端的光有效區域。

圖6 模擬性測試圖Fig.6 Simulation test

當光發射、接收天線對準后，上電，可看到示波器監測的TTL輸入輸出波形。撥動軸承的旋轉平面，進行各接口功能和性能指標的測試。

串口測試中，RS422與RS232測試同時進行，雙向共8路，RS422波特率設置為614.4kbit/s，RS232波特率設置為115.2kbit/s，每幀數據包括幀頭、幀尾、數據長度、數據、校驗和共13個字節，每個字節包括1個起始位、8個數據位、1個停止位共10位，單次通訊不少于100000幀，重復多次，均未出現丟幀、錯幀，滿足了10-6精度指標要求。

TTL測試中，由計算機控制脈沖計數卡向每個TTL端口輸入脈沖寬度為10μs、頻率為1kHz的脈沖，同時用計數器采集脈沖頻率和脈沖寬度，電/光和光/電轉換的時鐘基準是62.5MHz，轉換過程中信號脈沖寬度和周期將存在最大兩個時鐘周期的誤差，而脈沖和計數器的時鐘基準是20MHz，按最大兩個時鐘周期誤差計算，波形脈沖寬度總的誤差最大為132ns，頻率誤差最大3Hz，實際測試單次不少于1000000個脈沖數，脈沖寬度和頻率均在誤差范圍內。

CAN總線接口測試中，兩路CAN總線接口進行互發互收測試，傳輸波特率設置為250kbit/s，每幀數據8個字節，單次通訊9000幀，累計通訊不少于100000幀，均未出現傳輸錯誤。

調整測試工裝支架，不斷改變光傳輸距離，重復上述測試，測試結果表明在傳輸距離為20～80mm下，傳輸精度均能達到計數指標要求。

裝置測試驗證后，與所內單軸旋轉慣導對接測試，在30mm的傳輸距離下，旋轉頻率為2r/s的轉速下，單次傳輸數據不少于10000幀，累計傳輸數據不少于10幀，均未出現丟幀、錯幀，每幀數據為24字節，每字節包括1個起始位，8個數據位，1個停止位共10位，每幀數據為240位，不少于10000幀無差錯，結果表明裝置具有10-7量級的傳輸精度。

4 結論

本文設計實現了可用于單軸旋轉慣導的近距離非接觸信號傳輸裝置，具體可提供輸入、輸出接口各不少于9路，系統帶寬不低于155MHz，有效傳輸距離為20～80mm，經過各個環節的精密設計，可保證10-7量級的傳輸精度，經過各指標的測試，充分驗證了該無線光通信裝置代替導電滑環傳輸電信號的可行性，裝置也可用于其他相對旋轉的設備中。為能徹底替代導電滑環，后期將繼續進行非接觸信號傳輸及非接觸電能傳輸技術，以促進旋轉慣導技術的大力發展。

[1] 王騏,王青萍.一種基于FPGA的高速誤碼測試儀的設計[J].電子設計工程,2011,19(9):129-133.

[2]AnalogDevices,Inc.ADN2814DataSheet[DB/OL].http://www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/ADN2814.pdf.2005.

[3] 傅承毓,謝木軍,馬佳光.自由空間激光通信及其關鍵技術[J].光電工程第26卷增刊.

[4] 李喜來,徐軍,曹付允.自由空間激光通信關鍵技術研究[J].光通信技術,2006,9:58-61.

[5] 朱京平.光纖通信器件及系統[M].西安：西安交通大學出版社,2011.

Non-contacted Signal Transmission Technology Used in Uniaxial Rotating INS

GAO Yan，CHEN Jing-yi，ZHAO Yin-qiu

(Aerospace Science and Industry Inertial Technology Co., Ltd.，Beijing 100074，China)

A kind of non-contacted signal transmission device based on laser communication is designed to transmit electrical signals in rotating INS instead of electric conduction link,which has some disadvantages including short life span,poor reliabilibty and narrow transmission signal bandwidth.This device can greatly improve life span, transmission accuracy, reliability and bandwidth.It’s described in this paper that the design principle,technical realization and verification method of this device.Since it has multiple input & output interfaces,such as RS232,RS422,CAN and TTL,it can meet most of the requirements of INS signal transmission.A 10-7order of magnitude transmission accuracy can be ensured through sophisticated design of each link,with the effective transmission distance of 20～80mm.The feasibility of repalcing electric conduction link with this device is fully validated through a variety of tests. And this design has laid the foundation for the reliability of INS.

Rotating INS;Non-contact;Electricconduction link;Laser communication

2015 - 03 - 02；

2015 - 03 - 20。

高巖(1975 - )，女，博士，工程師，主要從事數字通信、測控技術等方向的研究

E-mail：gaoy0630@163.com

TP291.1

A

2095-8110(2015)03-0090-06