專利名稱：一種激光陀螺pos數據采集及預處理系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種激光陀螺POS數據采集及預處理系統，屬于慣性技術領域，可以 應用于POS (Position and Orientation System，位置姿態測量系統)，也可以應用于慣性 導航、慣性/GPS (Global Position System，全球定位系統)組合導航系統的數據采集及預處理。
背景技術：
對于高分辨率航空遙感系統，除了高分辨率遙感載荷之外，制約遙感系統成像分 辨率的主要因素是高精度P0S。高精度POS為遙感載荷提供高精度位置姿態基準，同時為慣 性穩定平臺提供精確的指向。無論對于高分辨率光學相機，還是機載三維成像激光雷達，高 精度POS是提高成像分辨率的關鍵，已成為制約我國高分辨率遙感系統發展的技術瓶頸。 數據采集及預處理系統是POS系統的重要組成部分，直接關系到POS系統功能的實現及性 能的提高。國外在高分辨率遙感載荷發展的牽引下，高精度POS技術也得到了快速發展，美 國、加拿大、德國等發達國家已經形成了產品，并廣泛應用于高性能航空遙感領域。加拿 大APPLANIX公司是當今世界上POS技術發展水平的代表，其研制了一系列P0S，其中POS/ AV610激光陀螺POS系統，應用于航空相機、成像光譜儀、激光雷達和合成孔徑雷達等，其 IMU采用的是Honeywell公司的micro ISR，由于技術封鎖，沒有相關micro ISR數據采集 及預處理系統的報道。Honeywell是當今世界上陀螺及慣性導航系統技術發展水平的代表， 其高精度激光陀螺慣性測量單元HG9900采用的是TI的TMS320VC33浮點處理器作為核心 處理器。國內在POS用慣性測量系統技術方面，雖然起步較晚，但是目前已經開展了相應 的研究工作，并取得了一定的進展。我國第一代機載POS試驗樣機，成功應用于中科院電子 所機載微波遙感系統。研制的第二代POS原理樣機用撓性陀螺慣性測量系統；研制的高精 度POS原理樣機用光纖陀螺慣性測量系統，姿態精度高達0. 02°，為高精度POS研制提供了 技術支撐，其數據采集及預處理系統采用單FPGA加外圍芯片的組合方式，實現數據采集， 但FPGA是定點處理器，無法進行高精度數據濾波，所以單FPGA數據采集方案無法滿足激光 陀螺POS系統需求。國防科技大學制作的激光陀螺慣性導航系統，其數據采集及預處理系 統采用PC-104作為主處理器，但是PC-104體積大、功耗大，難以滿足POS系統小體積、低功 耗、高精度的發展需求。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提出一種激光陀螺POS數據采 集及預處理系統，從而滿足POS系統高頻率和高精度的需求。本發明技術解決方案是一種激光陀螺POS數據采集及預處理系統包括FPGA數 據采集模塊和DSP數據預處理模塊；FPGA數據采集模塊包括I/F轉換電路、光耦隔離電路、正交解碼電路、FPGA最小子系統和溫度信號調理電路；DSP數據預處理模塊包括DSP最小 子系統和RS-422串口發送電路；三路激光陀螺正交編碼信號經過光耦隔離電路發送給正 交解碼電路，正交解碼電路解碼完成后得到激光陀螺解碼信號，發送給FPGA最小子系統； 三路加速度計電流信號經過I/F轉換電路轉換為加速度計脈沖，然后經過光耦隔離電路發 送給FPGA最小子系統；GPS秒脈沖信號經過光耦隔離電路發送給FPGA最小子系統；激光陀 螺溫度信號和加速度計溫度信號經過溫度信號處理電路進行信號放大和A/D轉換后，經過 光耦隔離電路通過SPI通信方式發送給FPGA最小子系統；FPGA最小子系統通過硬件描述 語言在FPGA中搭建硬件電路系統，實現激光陀螺數據和加速度計數據2KHz-20KHz的高頻 采樣，具體實現為通過采集脈沖方式采集GPS秒脈沖同步FPGA數據采集時鐘，通過采集脈 沖和電平的方式采集激光陀螺信號，通過采集脈沖的方式采集加速度計信號，通過SPI通 信方式采集激光陀螺溫度信號和加速度計溫度信號；DSP最小子系統讀取FPGA最小子系統 采集的三路激光陀螺信號、三路加速度計信號、激光陀螺溫度信號和加速度計溫度信號，并 進行預處理，預處理包括對三路激光陀螺數據及三路加速度計數據進行低通數字濾波；利 用激光陀螺溫度數據和加速度計溫度數據分別對激光陀螺數據和加速度計數據進行查找 表式溫度補償；利用激光陀螺數據對加速度計數據進行振動誤差補償；將經過低通濾波、 溫度誤差補償和振動誤差補償的激光陀螺數據和加速度計數據進行加和平滑，最后通過 RS-422串口通信電路將預處理結果發送給導航計算機；DSP最小子系統通過提高DSP硬件 利用率和軟件算法執行效率，實現系統小體積、低功耗和高運算性能。所述的正交解碼電路采用HCTL-2020實現對激光陀螺正交編碼信號的硬件解碼， 每路激光陀螺信號解碼輸出為一路脈沖和一路電平信號。所述的FPGA數據采集模塊采用一片)(C3S1500作為處理器。所述的FPGA數據采集模塊采集GPS秒脈沖，通過GPS秒脈沖脈沖沿重置數據采集 時鐘計數器的硬件實現方法，實現FPGA數據采集模塊的采集時鐘與GPS秒脈沖的時鐘同
止
少ο所述的FPGA數據采集模塊對激光陀螺和加速度計信號進行2KHZ-20KHZ高頻信號 采樣。所述的DSP數據預處理模塊采用一片帶有EMIF的TMS320C67i;3B浮點DSP芯片作 為處理器。所述溫度信號調理電路包括九路激光陀螺溫度信號處理電路和三路加速度計溫 度信號處理電路；激光陀螺內部溫度傳感器為鉬電阻，利用鉬電阻的電阻值大小隨溫度變 化的原理，將其與精密電阻串聯分壓，然后將分壓信號輸送給運算放大器進行放大，放大后 經過一級電壓跟隨器，輸送給A/D轉換芯片進行模數轉換，然后經過光耦隔離電路，通過 SPI通信方式發送給FPGA最小子系統；利用加速度計內部溫度傳感器輸出電流大小隨溫度 變化的原理，將輸出電流用一個精密電阻進行電流變電壓，然后將電壓信號輸送給運算放 大器進行放大，放大后經過一級電壓跟隨器，輸送給A/D轉換芯片進行模數轉換，然后經過 光耦隔離電路G)，通過SPI通信方式發送給FPGA最小子系統(6)。本發明的原理是激光陀螺輸出信號為正交編碼信號，數據采集及預處理系統通 過HCTL-2020芯片的正交解碼功能對激光陀螺信號解碼，將激光陀螺信號轉換為一路脈沖 信號和一路電平信號，通過FPGA采集脈沖及電平的功能，完成對激光陀螺信號的采集；加速度計輸出為電流信號，電流信號先通過I/F轉換電路轉換為脈沖信號，再通過FPGA脈沖 采集功能，完成加速度計信號的采集；激光陀螺和加速度計溫度信號首先通過0PA4350進 行信號放大，然后通過ADS8345E進行A/D轉換，最后FPGA通過SPI通信方式采集溫度信號。 數據采集及預處理系統采集時鐘到達時，FPGA通過中斷方式通知DSP，DSP通過16位并口 總線EMIF將FPGA采集的激光陀螺數據、加速度計數據和溫度數據轉存到DSP內部存儲區， 然后對激光陀螺數據、加速度計數據進行低通濾波、溫度補償、振動誤差補償和數據平滑， 最后將預處理結果通過串口通信模式發送給導航計算機。本發明與現有技術相比的優點在于(1)本發明采用了 FPGA，通過高速硬件算法實現對激光陀螺及加速度計數據進行 2KHz-20KHz高頻率采樣，采用了高速、浮點DSP，通過對FPGA采集到的激光陀螺及加速度計 數據進行高精度數字低通濾波、溫度誤差補償、振動誤差補償和數據平滑，從而滿足POS系 統高頻率、高精度的需求；(2)本發明采用了 FPGA+DSP的方案，通過硬件描述語言在FPGA中搭建硬件電路 系統，通過軟件程序算法在DSP中提高DSP硬件利用率和軟件算法效率，從而較傳統的基于 X86架構的數據采集及預處理系統，實現了小體積、低功耗和高運算性能。
圖1為本發明的系統組成框圖；圖2為本發明的激光陀螺解碼電路圖；圖3為本發明的GPS秒脈沖電路圖；圖4為本發明的RS-422高速串行數據傳輸電路圖；
圖5為本發明的FPGA電路圖；圖6為本發明的DSP電路圖；圖7為本發明的FPGA與DSP程序流程圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發明包括FPGA數據采集模塊1和DSP數據預處理模塊2。FPGA數 據采集模塊1包括I/F轉換電路3、光耦隔離電路4、正交解碼電路5、溫度信號處理電路7 和FPGA最小子系統6 ；DSP數據預處理模塊包括RS-422串口發送電路9和DSP最小子系統 8。激光陀螺輸出正交編碼信號，信號為A、B兩路方波信號，且A、B兩路信號相位相 差90°，經過光耦隔離電路4輸送給正交解碼電路5，正交解碼電路5，如圖2所示，利用 HCTL-2020芯片的正交解碼功能，將激光陀螺正交編碼信號進行解碼，轉換為一路脈沖信號 和一路電平信號，發送給FPGA最小子系統6 ；加速度計的電流信號經過I/F轉換電路3轉 換為脈沖信號，經過光耦隔離電路4輸出給FPGA最小子系統6 ；GPS秒脈沖信號經過光耦隔 離電路4，如圖3所示，輸送給FPGA最小子系統6 ；光耦隔離電路4，利用光電耦合器輸入與 輸出的電氣隔離原理，通過光電耦合芯片HCPL-063L和HCPL-0630將激光陀螺、加速度計、 GPS和模擬電路與后端采集電路進行電氣隔離，減小各個部件間的相互干擾。溫度信號調理電路7包括九路激光陀螺溫度信號處理電路和三路加速度計溫度信號處理電路。激光陀螺內部溫度傳感器為鉬電阻，利用鉬電阻的電阻值大小隨溫度變化 的原理，將其與精密電阻串聯分壓，然后將分壓信號輸送給運算放大器進行放大，放大后經 過一級電壓跟隨器，輸送給A/D轉換芯片ADS8345E進行模數轉換，然后經過光耦隔離電路 4，通過SPI通信方式發送給FPGA最小子系統6。加速度計內部溫度傳感器為AD590，利用 AD590的輸出電流大小隨溫度變化的原理，將其輸出電流用一個精密電阻進行電流變電壓， 然后將電壓信號輸送給運算放大器進行放大，放大后經過一級電壓跟隨器，輸送給A/D轉 換芯片ADS8345E進行模數轉換，然后經過光耦隔離電路4，通過SPI通信方式發送給FPGA 最小子系統6。FPGA最小子系統6中FPGA芯片XC3S1500，如圖5所示，通過硬件描述語言搭建 硬件電路系統，具體算法流程如圖7上半部分所示，將采集時鐘通過主頻25MHz分頻得到 2KHz-20KHz，通過FPGA高速、并行運行的特點，并行采集經正交解碼電路5解碼的激光陀螺 脈沖和電平信號，經光耦隔離電路4隔離的I/F轉換電路3輸出的加速度計脈沖信號，經光 耦隔離電路4隔離的GPS秒脈沖信號和經光耦隔離電路4隔離的溫度信號處理電路7輸出 的激光陀螺溫度信號和加速度計溫度信號；利用GPS秒脈沖重置采集時鐘的計數器，同步 數據采集時鐘，使采集時鐘與GPS時間對齊，修正因有源晶振頻偏帶來的數據采集及預處 理系統的時鐘漂移；并將采集到的激光陀螺數據、加速度計數據、激光陀螺溫度數據和加速 度計溫度數據暫存到緩沖區；FPGA芯片)(C3S1500通過16位并口總線實現與DSP的數據傳 輸。DSP最小子系統8中DSP芯片TMS320C671!3B，如圖6所示，通過EMIF地址線和數 據線對Flash存儲器和FPGA共用，提高DSP硬件利用率；DSP軟件算法，通過C語言與匯 編語言混合編程，提高DSP軟件算法執行效率，具體流程如圖7下半部分所示，通過16位 并口總線EMIF對外部異步設備FPGA進行讀操作，從FPGA中讀取經FPGA采集到的激光陀 螺數據、加速度計數據、激光陀螺溫度數據和加速度計溫度數據，并暫存到緩沖區。數據塊 讀取完成后，對數據進行預處理，預處理包括對三路激光陀螺數據及三路加速度計數據通 過數字低通濾波器進行低通數字濾波，將陀螺的機械抖動噪聲濾除，保留有效角速度信息 和線加速度信息，低通數據濾波器主要設計參數為通帶截止頻率為50Ηζ-100Ηζ，阻帶截 止頻率為200Hz-250Hz，通帶最大衰減為0. 001dB-3dB,阻帶最小衰減為60dB_80dB ；對系 統進行-40°C +60°C全溫溫度標定，建立系統溫度模型，將模型置于DSP程序當中作為查 找表，然后利用激光陀螺溫度數據和加速度計溫度數據分別對激光陀螺數據和加速度計數 據進行實時查找表式溫度補償；系統靜態情況下，在激光陀螺上下電時，分別測量加速度計 均值輸出，利用該方法測量激光陀螺機械抖動對加速度計輸出數據的影響，然后利用激光 陀螺振動信息對加速度計數據進行振動誤差補償；最后將經過濾波和誤差補償的激光陀 螺數據和加速度計數據進行加和平滑，從2KHz-20KHz數據加和得到200Hz數據，并暫存到 發送緩沖區，然后經過RS-422串口發送電路9，采用RS-422異步串行通信模式，通過芯片 MAX3488，如圖4所示，將預處理結果傳送給導航計算機。本發明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員公知的現有技術。
權利要求
1.一種激光陀螺POS數據采集及預處理系統，其特征在于包括FPGA數據采集模塊 (1)和DSP數據預處理模塊O) ；FPGA數據采集模塊(1)包括I/F轉換電路(3)、光耦隔離 電路G)、正交解碼電路(5)、FPGA最小子系統(6)和溫度信號調理電路(7) ；DSP數據預處 理模塊( 包括DSP最小子系統(8)和RS-422串口發送電路(9)；三路激光陀螺正交編碼 信號經過光耦隔離電路(4)發送給正交解碼電路(5)，正交解碼電路(5)解碼完成后得到 激光陀螺解碼信號，發送給FPGA最小子系統(6)；三路加速度計電流信號經過I/F轉換電 路(3)轉換為加速度計脈沖，然后經過光耦隔離電路(4)發送給FPGA最小子系統(6) ；GPS 秒脈沖信號經過光耦隔離電路(4)發送給FPGA最小子系統(6)；激光陀螺溫度信號和加速 度計溫度信號經過溫度信號處理電路(7)進行信號放大和A/D轉換后，經過光耦隔離電路 (4)通過SPI通信方式發送給FPGA最小子系統(6) ；FPGA最小子系統(6)通過硬件描述語 言在FPGA中搭建硬件電路系統，實現激光陀螺數據和加速度計數據2KHz-20KHz的高頻采 樣，具體實現為通過采集脈沖方式采集GPS秒脈沖同步FPGA數據采集時鐘，通過采集脈沖 和電平的方式采集激光陀螺信號，通過采集脈沖的方式采集加速度計信號，通過SPI通信 方式采集激光陀螺溫度信號和加速度計溫度信號；DSP最小子系統(8)讀取FPGA最小子系 統(6)采集的三路激光陀螺信號、三路加速度計信號、激光陀螺溫度信號和加速度計溫度 信號，并進行預處理，預處理包括對三路激光陀螺數據及三路加速度計數據進行低通數字 濾波；利用激光陀螺溫度數據和加速度計溫度數據分別對激光陀螺數據和加速度計數據進 行查找表式溫度補償；利用激光陀螺數據對加速度計數據進行振動誤差補償；將經過低通 濾波、溫度誤差補償和振動誤差補償的激光陀螺數據和加速度計數據進行加和平滑，最后 通過RS-422串口通信電路(9)將預處理結果發送給導航計算機；DSP最小子系統(8)通過 提高DSP硬件利用率和軟件算法執行效率，實現系統小體積、低功耗和高運算性能。
2.根據權利要求1所述的一種激光陀螺POS數據采集及預處理系統，其特征在于所 述的正交解碼電路( 采用HCTL-2020實現對激光陀螺正交編碼信號的硬件解碼，每路激 光陀螺信號解碼輸出為一路脈沖和一路電平信號。
3.根據權利要求1所述的一種激光陀螺POS數據采集及預處理系統，其特征在于所 述的FPGA數據采集模塊(1)采用一片)(C3S1500作為處理器。
4.根據權利要求1所述的一種激光陀螺POS數據采集及預處理系統，其特征在于所 述的FPGA數據采集模塊(1)采集GPS秒脈沖，通過GPS秒脈沖脈沖沿重置數據采集時鐘計 數器的硬件實現方法，實現FPGA數據采集模塊的采集時鐘與GPS秒脈沖的時鐘同步。
5.根據權利要求1所述的一種激光陀螺POS數據采集及預處理系統，其特征在于所 述的FPGA數據采集模塊(1)對激光陀螺和加速度計信號進行2KHz-20KHz高頻信號采樣。
6.根據權利要求1所述的一種激光陀螺POS數據采集及預處理系統，其特征在于所 述的DSP數據預處理模塊(2)采用一片帶有EMIF的TMS320C67i;3B浮點DSP芯片作為處理器。
7.根據權利要求1所述的一種激光陀螺POS數據采集及預處理系統，其特征在于所 述溫度信號調理電路(7)包括九路激光陀螺溫度信號處理電路和三路加速度計溫度信號 處理電路；激光陀螺內部溫度傳感器為鉬電阻，利用鉬電阻的電阻值大小隨溫度變化的原 理，將其與精密電阻串聯分壓，然后將分壓信號輸送給運算放大器進行放大，放大后經過一 級電壓跟隨器，輸送給A/D轉換芯片進行模數轉換，然后經過光耦隔離電路(4)，通過SPI通信方式發送給FPGA最小子系統(6)；利用加速度計內部溫度傳感器輸出電流大小隨溫度變 化的原理，將輸出電流用一個精密電阻進行電流變電壓，然后將電壓信號輸送給運算放大 器進行放大，放大后經過一級電壓跟隨器，輸送給A/D轉換芯片進行模數轉換，然后經過光 耦隔離電路G)，通過SPI通信方式發送給FPGA最小子系統(6)。
全文摘要
一種激光陀螺POS數據采集及預處理系統包括FPGA數據采集模塊和DSP數據預處理模塊。FPGA數據采集模塊實現激光陀螺信號、加速度計信號和溫度信號采集，并利用GPS秒脈沖同步FPGA數據采集時鐘。DSP數據預處理模塊讀取FPGA中激光陀螺數據、加速度計數據和溫度數據，對數據進行預處理，并將預處理結果發送給導航計算機。本發明實現了FPGA+DSP架構的高頻率、高精度激光陀螺POS數據采集及預處理系統的集成設計，減小了系統功耗、體積和重量，使得系統性能大大提高。
文檔編號G01C21/18GK102109351SQ201010623908
公開日2011年6月29日 申請日期2010年12月31日 優先權日2010年12月31日
發明者劉百奇, 康泰鐘, 李建利, 鐘麥英, 閆東坤 申請人:北京航空航天大學