光纖陀螺捷聯慣導系統硬件設計

叢明宇，鹿歡，吳昊翔

（中航工業洪都，江西南昌330024）

光纖陀螺捷聯慣導系統硬件設計

叢明宇，鹿歡，吳昊翔

（中航工業洪都，江西南昌330024）

主要研究了捷聯慣導的電源電路、信號采集電路和通訊電路的設計，通過分析捷聯慣導系統、光纖陀螺和撓性加速度計的特點，確定了光纖陀螺捷聯慣導的硬件電路方案。

光纖陀螺；捷聯慣導；信號采集

0 引言

光纖陀螺是一種固態陀螺，相比傳統機械式陀螺，受到力學環境的影響很小，而且光纖陀螺具有精度較高、體積較小、動態測量范圍大、啟動時間快等特點，廣泛應用于航空航天航海等領域。由于捷聯慣導系統是一種無物理平臺的慣性導航系統，減少了硬件結構，將慣性器件直接固連在載體上，可使體積和成本都大幅降低，但同時也帶來力學環境惡劣、各種干擾很嚴重等缺點，故對慣性器件和電子線路的要求較高。本文以光纖陀螺和石英撓性加速度計為慣性元件，加上相應的電子線路，設計了光纖陀螺捷聯慣導系統。因捷聯慣導需處理的數據量與力學編排解算計算量均較大，而導航系統對實時性的要求很高，因此，采用TI公司的高性能DSP芯片TMS320C6713作為導航計算機，用高精度模數轉換器AD7716將模擬信號轉換成數字信號，以滿足捷聯慣導系統的要求。

1 捷聯慣導的基本工作原理

捷聯慣導系統基本的工作原理如圖1所示，根據牛頓提出的慣性空間的力學定律，利用加速度計、陀螺儀等慣性測量元件感受載體在運動過程中相對于慣性空間的加速度和角速度，而后從中提取運動載體相對某一選定的導航坐標系（計算機存儲的“數學平臺”）的加速度信息；通過一次積分運算（載體初速度已知）便得到載體相對導航坐標系的即時速度信息；再通過一次積分運算（載體初始位置已知）得到載體相對于導航坐標系的即時位置信息，并實施導航任務[1,2]。

2 光纖陀螺捷聯慣導系統的組成

光纖捷聯慣導系統主要由三個光纖陀螺、三個加速度計以及硬件電路組成。

圖1 捷聯慣導基本原理框圖

陀螺和加速度的功能主要是敏感載體的姿態運動和位置運動。

硬件電路的主要實現的功能有對陀螺和加速度信號的采集和處理、捷聯導航算法的解算、對溫度等信號的采集以及與上位機的通訊等。按照上述功能可以分為：

1）信號采集處理模塊主要對捷聯慣導系統中的模擬信號進行采集包括陀螺和加速度輸出信號、溫度信號等；

2）計算模塊主要對陀螺和加速度信號進行補償，完成導航解算；

3）通訊模塊主要是與上位機通訊，以及和載體的其他系統的通訊；

4）電源模塊陀螺和加速度計所需精度較高，需要一個穩定的供電電源。

3 系統硬件實現[3-7]

3.1 電源電路

慣導中的電源主要由電源濾波器和電源轉換器組成。標稱電壓為28V，但是實際上電源母線上給定的電壓有波動，為此，采用DC/DC變換器進行電壓轉。為了克服電壓波動以及電源中斷產生的巨大沖擊電流，在電源輸入端加入瞬態抑制二極管，限制浪涌電流，對系統起到保護作用。電源濾波器將抑制電源線上的傳導干擾，同時，也能抑制系統內部噪聲對外部信號的干擾，在系統的電磁兼容設計中極其重要。電源濾波器電路見圖2。

DSP芯片的外圍I/O口電壓為3.3V，內核電壓為+1.2V，采用穩壓電源模塊LT1764轉換出恒定的3.3V和1.2V。DC/DC模塊轉換出+5V電源為其他芯片和器件提供工作電壓。DSP電源電路見圖3。

圖2 電源濾波器電路

圖3 DSP電源電路

3.2 信號采集電路

捷聯慣導系統對慣性器件的精度和信號的實時性要求很高。信號的采樣頻率體現了系統的實時性，其頻率由模擬信號帶寬、數據通道數和每個周期的采樣數決定，由奈奎斯特采樣定理可知，在每個數據帶寬周期內，至少要對信號采樣兩次。捷聯慣導系統的精度取決于慣性器件的信號精度，并考慮量化誤差、噪聲以及溫漂等因素，采用22位的模數轉換芯片AD7716。AD7716具有動態范圍寬、高分辨率、低噪聲、低功耗，以及數字濾波功能等特點，每片具有4個通道A/D，用兩片AD7716即可滿足信號采集的要求。

在本文中，信號輸出形式為模擬式的光纖陀螺，石英撓性加速度計的輸出是電流輸出，先使用精密電阻將電流轉換成電壓，再通過運算放大器將陀螺和加速度計的輸出信號電壓轉換在±2.5V范圍，供AD芯片采集。

AD7716芯片工作電壓為5V，其內部參考電壓為+2.5V，該電壓的穩定性直接影響數字讀出的精度，采用高精度電壓基準芯片ADR4525輸出參考電壓。AD7716的控制寄存器有16位，分為高8位和低8位，其中A3位置1，A2、A1、A0是地址位，在M0為0的情況下，通過接入相應的高低電平來設置地址值，以區分多片芯片，通過設置FC2、FC1、FC0的值可以決定濾波的截止頻率，其它位在實際中沒有很重要的意義。AD7716有主從兩種工作模式，文中選用從工作模式，需要在MODE管腳接入高電平。同時兩片A/D芯片級聯，要將第一塊芯片的CASCOUT引腳接到第二塊芯片的CASCIN引腳，當第一塊芯片的數據轉換讀取完成之后，其CASCOUT可以發送一個脈沖給下塊芯片，該芯片可以啟動轉換。

DSP上電復位后，給AD7716一個復位信號，AD7716開始啟動，通過CLKIN線給AD7716提供一個采樣時鐘，再通過TFS口提供一個下降沿將其線拉成電平，同時，通過SCLK線提供串口時鐘，在每個SCLK的下降沿將控制字由SDATA線送入AD7716的控制寄存器。控制字寫完后把TFS再拉回高電平，同時，又通過DSP內部程序模塊啟動AD信號接收，把RFS拉成低電平，這樣，DSP會在DRDY低電平期間，在SCLK的上升沿通過SDATA線接受轉換結果。當第一片芯片傳送完轉換結果后，再通過CASCOUT發送一個脈沖給第二片芯片CASCIN，第二片芯片向DSP傳送轉換結果。兩片AD7716級聯以及基本原理圖如圖4所示。

圖4 AD7716級聯工作電路

慣性器件的輸出數據存在漂移和野值，在DSP中需要對其進行處理，對漂移進行補償，野值進行分析去除，以提高慣導系統的精度。在慣導中，安裝誤差以及電子線路帶來的影響也需要在DSP中進行處理，通過標定和誤差補償，來提高慣性器件的輸出信號精度。

3.3 通訊電路

通訊模塊主要是與上位機通訊，采用為異步串行通訊的RS232接口，通訊芯片為MAX232。通過與DSP的MCBSP口連接實現全雙工異步串行通訊。

MAX232具有一個SPI接口以及一個RS-232標準的異步收發器，所以只要通過軟件設置TMS320C6713的MCBSP工作在SPI模式，便可通過MAX232在它與PC機之間建立一個通信的橋梁，實現串行數據傳輸。

通過EDMA可以對MCBSP進行讀寫操作，以完成數據的發送和接收.數據接收寄存器(DRR)及數據發送寄存器(DXR)是可以被尋址的，從DRR中讀取接收到的數據，向DXR中寫入待發送的數據。再將數據通過發送移位寄存器(XSR)移出到DX腳；在DR腳接收到的數據被移人到接收移位寄存器(RSR)，然后被裝入接收緩沖寄存器(RBR)，RBR再將數據裝入DRR。如圖5所示。

圖5 通訊電路

4 結語

光纖陀螺以其優異的性能在軍民領域中運用越來越廣，尤其適合在捷聯慣導系統中使用。本文通過對光纖陀螺捷聯慣導的工作原理以及其系統組成分析，針對系統的特點，采用了DSP+AD的方案，對光纖陀螺捷聯慣導系統的硬件電路進行了設計。

[1]秦永元.慣性導航.北京：北京科學出版社. 2009.

[2]Lee J G,Park C G,Park H W.Multiposition alignment of strapdowninertialnavigationsystem. IEEETransactionsonAerospaceandElectronic Systems.1993.

[3]孔慶鵬,高爽,林鐵,焦禹舜,王妍.低成本輕小型光纖陀螺慣性測量單元設計與實現[J].導航與控制,2013,12(2)：33-36,6.

[4]楊金顯,袁贛南,徐良臣.MIMU系統設計研究[J].彈箭與制導學報,2007,27(3)：47-49.

[5]陳淑英,余建光.纖陀螺測斜儀用加速度計數據采集系統[J].導航與控制,2012,11(4)：64-66,63.

[6]王天偉，史震，王靜TMS320C6713與PC機串行通信的幾種方法[J].應用科技,2008,35(7)：15-19

[7]楊梟.光纖陀螺捷聯導航數據處理系統軟硬件設計與實現[D].哈爾濱工程大學碩士學位論文, 2007.

>>>作者簡介

叢明宇，男，1983年9月出生，2007年畢業于哈爾濱工程大學，工程師，現從事飛行器設計工作。

Hardware Design of Fiber-optic Gyro Strapdown Inertial Navigation System

Cong Mingyu,Lu Huan,Wu Haoxiang
(AVIC Hongdu Aviation Industry Group,Nanchang,Jiangxi,330024)

This paper mainly studies the design of power circuit,signal acquisition and communication circuits of strapdown inertial navigation,with analysis on features of strapdown inertial navigation system,fiber-optic gyro and flexure accelerometer,the plan for hardware circuit of fiber-optic gyro strapdown inertial navigation has been determined.

fiber-optic gyro;strapdown inertial navigation;signal acquisition

2015-12-26）