一種基于反熔絲fpga的光纖陀螺主控板晶振選取方法
【專利摘要】本發(fā)明一種基于反熔絲FPGA的光纖陀螺主控板晶振選取方法，1)使用以帶有DDS模塊的FPGA為控制芯片的光纖陀螺控制板，由FPGA控制DDS模塊產生初始調制頻率A。2)觀察光電探測器輸出電壓信號波形，是否為很尖銳的梳狀周期信號。3)如果不是，由FPGA控制DDS產生在調制頻率A附近的調制頻率B，重復上述步驟，直到尖峰寬度達到十幾ns量級為止，認為等同于陀螺的本征頻率。4)將陀螺本征頻率放大2n的整數倍，即可作為選用晶振的頻率。該方法可以實現對光纖陀螺本征頻率的精確測量，解決了本征頻率設計不精確導致陀螺零偏變大的問題，為基于反熔絲技術的FPGA光纖陀螺主控板的晶振選擇提供參考依據。
【專利說明】—種基于反熔絲FPGA的光纖陀螺主控板晶振選取方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于慣性姿態(tài)敏感器系統(tǒng)領域，涉及一種基于反熔絲FPGA的光纖陀螺主控板晶振的選取方法。

【背景技術】
[0002]干涉型光纖陀螺是一種測量角速率的傳感器，其硬件包括光源、耦合器、Y波導、光纖環(huán)、探測器和信號處理裝置。所述的信號處理裝置包括用于檢測探測器輸出的光功率信號的前置放大器、A/D轉換器、中心處理器FPGA、D/A轉換器和后置放大器組成，如圖1所示。干涉型光纖陀螺對角速度的測量是通過在光纖環(huán)中傳播的兩束相向的光在光纖陀螺自身的轉動中，引起的非互易相位差的大小來表征的。陀螺是敏感相對于慣性空間角運動的裝置。它作為一種重要的慣性敏感器，用于測量運載體的姿態(tài)角和角速度，是構成慣性系統(tǒng)的核心器件。應用在空間飛行器導航、艦船導航和陸用導航中。
[0003]干涉式光纖陀螺環(huán)形干涉儀中，光波在Y波導和耦合器之間的兩路光路的群傳輸時間之差的倒數的二分之一稱為光纖陀螺的本征頻率。光纖陀螺最小互易性結構的光功率響應是一個隆起的余弦函數，為了獲得較高的靈敏度，故給該信號施加一個偏置，使之工作在一個響應斜率不為零的點附近。而Y波導中的寄生非線性或振幅調制可能會削弱偏置的質量。在Y波導非線性的情況下，一種簡單的解決方法是使光纖陀螺工作在本征頻率(或其奇次諧波)上，因此，光纖陀螺的信號處理裝置通常都是基于其本征頻率來設計其控制時序的，所以需要精確設計光纖陀螺的本征頻率。
[0004]光纖陀螺的本征頻率一般根據公式f = c/2nL得到一個估計值，公式中:f為光纖陀螺的本征頻率，L為光纖環(huán)的光纖長度，η為光纖的折射率，c為真空中的光速。光纖的長度L和折射率η受光纖曲率、強度及環(huán)境溫度的影響較大，從而導致光纖陀螺的本征頻率隨外界因素而變化，傳統(tǒng)方法估算出的固定值不可能準確地等于本征頻率，從而引入調制誤差影響陀螺性能。所以通常陀螺的本征頻率通過離線的方法人工測得，再由中心處理器FPGA將輸入晶振頻率分頻產生本征頻率進行時序控制。
[0005]由于空間用光纖陀螺為了防止FPGA在空間被單粒子打翻，提高陀螺的整機可靠性，陀螺控制板的主控FPGA芯片選用ACTEL公司的反熔絲芯片A54SX72A，該芯片的抗空間單粒子性能很好，不足之處是芯片內沒有鎖相環(huán)(時鐘分頻工具)，依靠代碼編程很難精確對晶振時鐘進行非2η整數倍的分頻，且使用代碼進行非整數分頻語句繁瑣，資源占用較大，且高低電平占空比不是1:1。通常光纖陀螺的本征頻率都是非整數頻率，所以使用基于反熔絲FPGA產生調制頻率時，只能依靠精確選擇非整數頻率的晶振，進行2η整數倍分頻來得到所需調制頻率，所以對晶振選擇的準確度要求極高。如果晶振選擇有偏差，分頻產生出的調制頻率不嚴格等于陀螺的本征頻率，會引入額外的寄生偏移誤差，導致陀螺零偏過大，影響光纖陀螺性能。


【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明解決的技術問題是:克服現有技術的不足，提出一種基于反熔絲FPGA的光纖陀螺主控板晶振選取方法，解決了基于反熔絲FPGA光纖陀螺本征頻率設計不精確導致陀螺零偏變大的問題。
[0007]本發(fā)明的技術方案是:一種基于反熔絲FPGA的光纖陀螺主控板晶振選取方法，其方法步驟如下:
[0008]I)選取Xilinx公司的VetexII系列FPGA芯片作為陀螺主控芯片的工藝板，并將工藝板連接光纖環(huán)，使用FPGA芯片內的DDS直接數字合成模塊對輸入晶振時鐘f_clk進行分頻；由FPGA控制DDS直接數字合成模塊產生初始調制頻率信號f_fb = c/2nL，其中，c為真空中的光速，η為光纖纖芯的折射率，L為光纖環(huán)長；
[0009]2)將獲得的調制頻率信號經過D/A轉換以及后置放大器放大后，加載在Y波導上進行相位調制；光纖陀螺內的光源發(fā)出的光經過耦合器分光、Y波導相位調制、光纖環(huán)干涉后，光功率信息返回到探測器；
[0010]3)光電探測器接收到步驟2)產生的干涉后的光功率信息，將其轉換為電流信號，再經過跨阻放大、濾波處理后輸出電壓信號至前置放大器；
[0011]4)觀察光電探測器輸出的電壓信號，信號波形為周期τ = nL/c的周期性脈沖信號；判斷若光電探測器的輸出電壓信號的脈沖寬度小于等于0.003 τ，則判定由步驟I)產生的初始調制頻率f_fb與理論的陀螺本征頻率相等，并將此時初始調制頻率f_fb作為實際的陀螺本征頻率；若光電探測器的輸出電壓信號的脈沖寬度大于0.003 τ，判定由步驟I)產生的調制頻率f_fb與實際的陀螺本征頻率不相等，則由FPGA控制DDS直接數字合成模塊產生新的調制頻率f_fd，并重復步驟2)?步驟4)，直到光電探測器的輸出電壓信號的脈沖寬度小于0.003 τ為止，并將此時的調制頻率f_fd作為實際的陀螺本征頻率；所述的調制頻率f_fd是在初始調制頻率f_fb上以步長k步進產生，k為正整數；
[0012]5)將步驟4)獲得的實際陀螺本征頻率放大2n的整數倍后，作為選取的晶振頻率，其中所述的η為大于等于8的正整數，且晶振的上限頻率為40兆赫茲。
[0013]本發(fā)明與現有技術相比的有益成果是:該方法可以實現可變頻率步進步長，最小可達到IHz頻率的步進步長，調整速度快，實時性高，可以實現對光纖陀螺本征頻率的精確測量，為基于反熔絲技術的FPGA光纖陀螺主控板的晶振選擇提供精確參考，減小寄生頻率偏移，降低光纖陀螺偏置誤差。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為光纖陀螺功能原理框圖；
[0015]圖2為調制頻率等于陀螺本征頻率時得到的調制方波；
[0016]圖3為調制頻率等于陀螺本征頻率時得到的光電探測器信號；
[0017]圖4為調制頻率等于陀螺本征頻率時得到的反饋階梯波；
[0018]圖5為調制頻率不等于陀螺本征頻率時得到的調制方波；
[0019]圖6為調制頻率不等于陀螺本征頻率時得到的光電探測器信號；
[0020]圖7為調制頻率不等于陀螺本征頻率時得到的反饋階梯波；
[0021]圖8為本發(fā)明方法流程圖。

【具體實施方式】
[0022]下面將結合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0023]1.調制頻率不準導致的頻率偏移誤差分析
[0024]1.1調制頻率等于本征頻率情況分析
[0025]推挽式調制器的方波調制見下圖所示。由于LiNbO3晶體的各項異性，電光效應與電場方向有關。當在正極與負極間加上調制電壓Vm(t)時，將在Y分支波導的兩臂上產生方向相反的一對電場，外加電場引起對應的光折射率變化△!!也是相反的，即兩臂波導中傳導光的相位變化也是相反的。相當于兩臂施加的是符號相反的兩個相位調制信號。
[0026]如圖1所示，上臂的相位調制信號為Φπα)，下臂的相位調制信號為-Φπα)。這樣，施加本征頻率的調制方波信號Vm(t)時，在t時刻，順時針光波在Y波導的上臂受到的相位調制為ΦΜ? = <im(t),在t-τ時刻，在Y波導的下臂受到符號相反的相位調制
τ )。同理，在t時刻，逆時針光波在Y波導的下臂受到的相位調制為= -<tm(t),在t-τ時刻,在Y波導的上臂受到符號相反的相位調制Φ—= <tm(t-T:)。
[0027]這樣，順時針光波和逆時針光波各得到了兩次相位調制:
[0028]Φ cw(t) = Φ cwl+ Φ cw2 = Φ^^-Φ,α- τ )
[0029]φ ccw (t) = Φ ccwl+ Φ ccw2 = — Φ (t) + Φ π (t_ τ )
[0030]其中，φπα)是方波電壓信號Vm⑴產生的相位調制。
[0031]則方波調制信號Λ為
[0032]Δ <i)m(t) = <tcw(t)-<i)ccw(t) = 2[φηι(?)-φηι(?- τ )]
[0033]經過方波調制信號調制后光電探測器輸出的波形如圖2所示。可見，當調制頻率與陀螺本征頻率相等時，光電探測器的輸出信號是很尖銳的梳狀周期為τ的信號。
[0034]圖3為調制頻率等于陀螺本征頻率時的反饋階梯波波形。在閉環(huán)光纖陀螺中，反饋相位差<i>fb是采用階梯波來實現的。階梯波由一系列幅值小、持續(xù)時間等于光纖環(huán)傳輸時間τ的相位臺階(J)fb構成。階梯波也不能無限上升，必須進行2 復位。兩束反向傳播光波之間因為階梯波<tf(t)調制而產生的相位差Δ φΓ(t)為(J)fb或者<tfb-2 3i。
[0035]1.2調制頻率不等于本征頻率時誤差分析
[0036]當光纖環(huán)長不夠精確，計算得到的調制頻率不等于陀螺本征頻率時，方波調制示意圖如圖4所示。經過計算得到的Λ φπα)就不僅是二態(tài)調制了(土 /2)，而是三態(tài)調制(土 π/2，0)。經過三態(tài)調制的光功率經過光電探測器輸出波形如圖5所示。與圖2相比，光電探測器的輸出信號不再是很尖銳的梳狀周期為τ的信號，而是存在很寬高電平的梳狀信號。這樣就壓縮了 A/D轉換器可以采樣的電平信號寬度。同時，反饋階梯波同樣產生了額外的寄生毛刺，如圖6所示，增加了噪聲，降低了陀螺的精度。
[0037]2.基于反熔絲FPGA的光纖陀螺主控板晶振選取方法
[0038]針對上述問題，本方法使用以帶有DDS模塊IP核的Xilinx公司的VetexII系列FPGA為控制芯片的光纖陀螺控制板，連接光纖環(huán)，通過DDS精確分頻，計算出準確的調制頻率，并根據調制頻率選擇晶振。如圖8所述，方法步驟如下:
[0039]I)選取Xilinx公司的VetexII系列FPGA芯片作為陀螺主控芯片的工藝板，并將工藝板連接光纖環(huán)，使用FPGA芯片內的DDS直接數字合成模塊對輸入晶振時鐘f_clk進行分頻；由FPGA控制DDS直接數字合成模塊產生初始調制頻率信號f_fb = c/2nL，其中，c為真空中的光速，η為光纖纖芯的折射率，L為光纖環(huán)長；
[0040]2)將獲得的調制頻率信號經過D/A轉換器、后置放大器后，加載在Y波導上進行相位調制。光源發(fā)出的光經過耦合器分光、Y波導相位調制、光纖環(huán)干涉后，光功率信息返回到探測器；
[0041]3)光電探測器接收到干涉后的光功率信息，將其轉換為電流信號，再經過跨阻放大、濾波處理后輸出電壓信號至前置放大器；
[0042]4)觀察光電探測器輸出的電壓信號，信號波形為周期性脈沖信號，周期τ = nL/C，判斷若光電探測器的輸出電壓信號的脈沖寬度小于一個周期τ的0.3%，則判定由步驟I)產生的初始調制頻率f_fb與理論的陀螺本征頻率相等，并將此時初始調制頻率f_fb作為實際的陀螺本征頻率；若光電探測器的輸出電壓信號的脈沖寬度大于一個周期τ的0.3%,判定由步驟I)產生的調制頻率f_fb與實際的陀螺本征頻率不相等，則由FPGA控制DDS直接數字合成模塊產生新的調制頻率f_fd，并重復步驟2)?步驟4)，直到光電探測器的輸出電壓信號的脈沖寬度小于一個周期τ的0.3%為止，并將此時的調制頻率乙€(1作為實際的陀螺本征頻率；所述的調制頻率f_fd是在初始調制頻率f_fb上以步長k步進產生，k = 1,2,3-(正整數)；
[0043]5)將步驟4)獲得的實際陀螺本征頻率放大2n的整數倍后，作為所需的晶振頻率，其中所述的η = 8，9，10…(正整數)，晶振的上限頻率為40兆赫茲。
【權利要求】
1.一種基于反熔絲FPGA的光纖陀螺主控板晶振選取方法，其方法步驟如下: 1)選取Xilinx公司的VetexII系列FPGA芯片作為陀螺主控芯片的工藝板，并將工藝板連接光纖環(huán)，使用FPGA芯片內的DDS直接數字合成模塊對輸入晶振時鐘f_clk進行分頻；由FPGA控制DDS直接數字合成模塊產生初始調制頻率信號f_fb = c/2nL，其中，c為真空中的光速，η為光纖纖芯的折射率，L為光纖環(huán)長； 2)將獲得的調制頻率信號經過D/Α轉換以及后置放大器放大后，加載在Y波導上進行相位調制；光纖陀螺內的光源發(fā)出的光經過耦合器分光、Y波導相位調制、光纖環(huán)干涉后，光功率信息返回到探測器； 3)光電探測器接收到步驟2)產生的干涉后的光功率信息，將其轉換為電流信號，再經過跨阻放大、濾波處理后輸出電壓信號至前置放大器； 4)觀察光電探測器輸出的電壓信號，信號波形為周期τ= nL/c的周期性脈沖信號；判斷若光電探測器的輸出電壓信號的脈沖寬度小于等于0.003 τ，則判定由步驟I)產生的初始調制頻率f_fb與理論的陀螺本征頻率相等，并將此時初始調制頻率f_fb作為實際的陀螺本征頻率；若光電探測器的輸出電壓信號的脈沖寬度大于0.003 τ，判定由步驟I)產生的調制頻率f_fb與實際的陀螺本征頻率不相等，則由FPGA控制DDS直接數字合成模塊產生新的調制頻率f_fd，并重復步驟2)?步驟4)，直到光電探測器的輸出電壓信號的脈沖寬度小于0.003 τ為止，并將此時的調制頻率f_fd作為實際的陀螺本征頻率；所述的調制頻率f_fd是在初始調制頻率f_fb上以步長k步進產生，k為正整數； 5)將步驟4)獲得的實際陀螺本征頻率放大2n的整數倍后，作為選取的晶振頻率，其中所述的η為大于等于8的正整數，且晶振的上限頻率為40兆赫茲。
【文檔編號】G01C19/72GK104296740SQ201410504977
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月26日 優(yōu)先權日:2014年9月26日
【發(fā)明者】林松, 趙亞飛, 孫麗 申請人:北京控制工程研究所