CN107153381B - 一种集成化核磁共振陀螺磁场闭环数字控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成化核磁共振陀螺磁场闭环数字控制系统，包括输入信号接口模块、模数转换芯片、FPGA模块、DSP模块、数模转换芯片、输出信号接口模块、通信接口模块。该装置通过输入信号接口模块和模数转换芯片获取核磁共振陀螺物理表头的光电检测信号，FPGA模块一方面对含有高频载波的光电检测信号进行一次解调得到平行分量和正交分量，另一方面对一次解调的平行分量进行二次解调，FPGA模块解调的数据传送给DSP模块，DSP模块按照一定的控制算法生成控制量，数模转换芯片和输出信号接口模块把控制量转换成模拟量传送到电流源电路，产生核磁共振陀螺线圈所需的控制电流，从而实现对核磁共振陀螺磁场的闭环控制，使得核磁共振陀螺控制装置的集成度大幅提高。

Description

一种集成化核磁共振陀螺磁场闭环数字控制系统

技术领域

本发明涉及一种集成化核磁共振陀螺磁场闭环数字控制系统，用于对核磁共振陀螺的三轴磁场的高精度控制，适用于高精度小体积的核磁共振陀螺样机，该控制装置同样适用于核磁共振陀螺等原子陀螺仪的其他物理量闭环控制。

背景技术

陀螺仪决定了惯导系统的成本和精度，核磁共振陀螺仪具备高精度和微小体积的优势，能够满足新一代高新技术武器装备发展的迫切需求。同时，核磁共振陀螺仪具备光学陀螺仪的精度，微机电陀螺仪的成本，对于惯性导航进入民用导航具有巨大的潜在价值。

核磁共振陀螺仪以磁场控制为主要的原子操控方式之一，磁场的操控精度决定了核磁共振陀螺仪内部参考的准确与稳定，同时，磁场闭环控制作为核磁共振陀螺仪跟踪系统转动信号的共振激励源和频率测量单元，其闭环控制的精度与陀螺仪输出性能指标，如精度、漂移、噪声特性等直接相关。

现有的核磁共振陀螺磁场闭环主要采用商用仪器在实验室中进行，而商用仪器本身存在限制：1、功能固化，不能灵活的针对核磁共振陀螺仪磁场闭环的需要进行改变；2、性能局限，一些需占用较多硬件资源的数字信号处理方法和控制方法难于应用；3、集成度低，不利于核磁共振陀螺仪整体体积的减小和功耗的降低。因此，一种集成化核磁共振陀螺磁场闭环数字控制系统是必需的。

集成化核磁共振陀螺磁场闭环数字控制系统的优点表现在：1、功能灵活，可随时针对核磁共振陀螺仪磁场闭环的需要进行功能的改变；2、性能优越，有充足的资源和计算能力处理先进复杂的信号处理和系统控制算法；3、集成度高，大幅度减小系统体积和功耗。这对于核磁共振陀螺磁场闭环功能的实现很有意义，大幅改进了现有系统并为系统的进一步改进奠定了基础。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有的基于通用仪器的核磁共振陀螺仪系统闭环带来的灵活性、性能、集成度方面的不足，提供一种高集成化的核磁共振陀螺仪磁场闭环控制系统。

本发明采用的技术方案为：一种集成化核磁共振陀螺磁场闭环数字控制系统，包括：

输入信号接口电路，与模数转换芯片相接，用于将载体系观测到的调制频率信号调理成0～2.3V的差分信号；

模数转换芯片，与FPGA模块相接，用于对陀螺共振调制频率信号进行采样，得到数字化的调制频率信号；

FPGA模块，与DSP模块相接，对模数转换芯片采样的数字化调制频率信号进行一次载波解调和二次核子谐振频率解调，得到DSP模块所需要的控制解调数据；

DSP模块，通过XINTF总线与FPGA模块进行通信，获取控制解调数据，DSP模块按照控制算法对解调数据进行控制和处理，生成三轴磁场线圈控制量，再通过XINTF总线通信把控制量传送给FPGA模块；

数模转换模块，与FPGA模块和输出信号接口电路相接，把三轴磁场线圈控制量转化为差分模拟信号；

输出信号接口电路，把差分模拟信号转换成电压为-1V～1V的单端信号，得到电流源电路所需要的驱动模拟量；

电流源电路，与输出信号接口电路相接，根据输出信号接口电路的模拟量驱动相应的三轴磁场线圈，从而控制核磁共振陀螺三轴线圈的电流随DSP给定的控制量变化。

其中，所述的FPGA模块包括配置芯片、时钟电路、电源模块及FPGA芯片，其中FPGA芯片采用SPARTAN6XC6SLX150芯片作为解调载体系调制频率的信号处理器，配置芯片采用XCF32PFS48C作为JTAG上电扫描加载程序的FLASH芯片，时钟电路采用50MHZ有源晶振，同时预留有铷钟供入接口，电源模块采用AMS1117-3.3和AMS1117-1.2芯片生成FPGA芯片所需要的内部供电电压1.2V、输出驱动电压3.3V及辅助供电电压3.3V。

其中，所述的DSP模块包括DSP芯片、外扩Flash存储器、下载接口电路、时钟电路，其中DSP芯片采用一片TMS320F28335做为控制算法的处理器，下载接口电路采用一片PACDN046芯片来进行防静电保护，时钟电路采用30MHZ四角有源晶振，外扩FLASH采用IS61LV512芯片来进行存储容量的扩展。

其中，输入信号接口电路中的抗混叠滤波器由运算放大器OPA4376芯片搭建的一阶有源低通滤波器完成，前端调理电路由全差分运算放大器THS4503完成。

其中，由FPGA模块完成对核磁共振陀螺调制频率的载波解调和核子谐振频率解调。

其中，DSP芯片按照一定的控制算法完成对核磁共振陀螺三轴线圈磁场控制量的生成。

本发明的原理：核磁共振陀螺物理表头的光电探测器频率信号经由抗混叠滤波器和前端调理电路之后，FPGA芯片根据模数转换芯片的时序驱动逻辑对核磁共振陀螺载体系调制频率信号进行采样，转换结果读入FPGA芯片的RAM中，FPGA芯片对采样后的数字频率信号进行高频载波解调，解调后的平行分量和正交分量通过XINTF总线给DSP芯片，DSP芯片按照一定的控制算法对解调后的平行分量和正交分量分别进行控制，得到核磁共振陀螺剩磁闭环控制的数字控制量，数字控制量再通过XINTF总线给FPGA芯片，FPGA芯片根据2路X轴和Y轴数模转换芯片的时序逻辑把数字控制量转换为适于电流源驱动的X轴和Y轴信号模拟量，X轴和Y轴信号模拟量通过电流源电路生成剩磁闭环控制电流，送给X轴线圈和Y轴线圈，实现核磁共振陀螺的剩磁闭环控制；FPGA芯片对数字频率信号载波解调后的平行分量进行核子谐振频率解调，通过XINTF总线把解调出的两种核子的谐振频率量传给DSP芯片，DSP芯片按照一定的控制算法对核子谐振频率量进行控制，通过XINTF总线把谐振频率控制量传给FPGA芯片，FPGA芯片根据X轴数模转换的时序逻辑把谐振频率控制量转换为谐振频率模拟量，谐振频率模拟量通过电流源电路生成横向振荡磁场闭环控制激励电流，实现横向振荡磁场闭环控制；DSP芯片根据核子谐振频率解调出来的两种核子谐振频率量进行数据处理，解算出Z轴线圈所需要的静态磁场分量，DSP芯片按照一定的控制算法对Z轴静态主磁场进行控制，通过XINTF总线把主磁场控制量传给FPGA芯片，FPGA芯片根据Z轴数模转换的时序逻辑把主磁场控制量转换为Z轴磁场闭环控制模拟量，Z轴磁场模拟量通过电流源电路生成Z轴静态主磁场闭环控制所需的激励电流，实现Z轴静态主磁场的闭环控制。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用高性能的浮点型DSP芯片TMS320F28335来构建核磁共振陀螺磁场闭环控制算法的执行核心，选用FPGA芯片SPARTAN6XC6SLX150芯片完成核磁共振陀螺高频载波调制频率信号和核子谐振频率信号的解调。与现有核磁共振陀螺信号处理和控制的商用设备比较具有以下特点：

(1)较实验室通用的商用仪器而言，本发明具有功能灵活的优点:磁场闭环数字控制系统可以针对核磁共振陀螺仪磁场闭环的需要进行实时的控制，便于实现复杂的控制算法，提高核磁共振陀螺磁场操控精度。

(2)本发明对核磁共振陀螺调制频率信号进行高频载波和核子谐振频率的解调采用FPGA芯片，FPGA的并行性提高了信号处理的实时速度，大大减小了系统延时，提高了系统的稳定性。

(3)采用FPGA芯片完成模数转换芯片的驱动控制，FPGA高速的对信号进行采样和预处理，兼顾速度及灵活性，同时DSP芯片用于处理数据量少，控制结构的复杂算法，充分发挥了每个模块的优点，提高了算法效率。

(4)本发明结构灵活，有较强的通用性，适于模块化设计，同时开发周期较短，系统易于维护和扩展，适于实时信号处理与控制。

(5)集成度高，大幅度减小系统体积和控制器功耗，这对于核磁共振陀螺磁场闭环功能的实现很有意义，且为核磁共振陀螺小型化和高精度奠定基础。

附图说明

图1为本发明的结构组成框图；

图2为本发明的控制原理框图；

图3为本发明的抗混叠滤波器电路

图4为本发明的前端调理电路；

图5为本发明的模数转换外围配置电路；

图6(a)、(b)、(c)为本发明的FPGA芯片与其它器件的信号连接电路；

图7为本发明的DSP芯片与其它器件的信号连接电路；

图8为本发明的数模转换外围配置电路；

图9为本发明的输出信号接口电路；

图10为本发明的电源模块电路；

图11为本发明的FPGA和DSP外围扩展接口电路；

图12为FPGA的控制流程图；

图13为DSP的控制流程图。

图中附图标记含义为：1为X轴线圈，2为Y轴线圈，3为Z轴线圈，4为核磁共振陀螺表头，5为输入信号接口电路，6为模数转换芯片，7为配置芯片电路，8为FPGA芯片，9为时钟电路，10为电源模块，11为FPGA模块，12为外扩FLASH存储器，13为DSP模块，14为DSP电源模块，15为DSP时钟电路，16为DSP下载接口电路，17为Z轴数模转换芯片，18为Z轴后端接口电路，19为Y轴后端接口电路，20为Y轴数模转换芯片，21为数模转换模块，22为X轴数模转换芯片，23为输出信号接口电路，24为X轴后端接口电路，25为电流源电路，26为DSP芯片，27为抗混叠滤波器电路，28为前端调理电路。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明的硬件模块主要由输入信号接口电路5、模数转换芯片6、FPGA模块11、DSP模块13、数模转换模块21、输出信号接口电路23以及电流源电路25几部分组成，其中输入信号接口电路5包括抗混叠滤波器电路27和前端调理电路28，FPGA模块11包括配置芯片电路7、FPGA芯片8、时钟电路9、电源模块10，DSP模块13包括外扩FLASH存储器12、DSP芯片26、DSP电源模块14、DSP下载接口电路16及DSP时钟电路15，数模转换模块21包括X轴数模转换芯片，Y轴数模转换芯片和Z轴数模转换芯片，输出信号接口电路23包括X轴后端接口电路24、Y轴后端接口电路19和Z轴后端接口电路18，抗混叠滤波器电路27是低通滤波器，把高于模数转换芯片2/3采样速率的调制信号频率分量滤掉，前端调理电路28将经过抗混叠滤波器的单端调制频率信号转换成适于模数转换芯片处理的0～2.3V差分输入信号，FPGA芯片8根据模数转换芯片6的驱动时序逻辑对差分输入调制频率信号进行采样，采样结果将在FPGA芯片8中进行高频载波一次解调和核子谐振频率二次解调，解调的结果通过XINTF总线与DSP芯片26进行通信，DSP芯片26对解调的结果按照一定的控制算法进行控制，并把生成的控制结果通过XINTF总线传给FPGA芯片8，FPGA芯片8根据数模转换模块21的驱动时序逻辑把数字控制结果转换成三轴闭环模拟控制量，三轴闭环模拟控制量通过X轴后端接口电路24、Y轴后端接口电路19和Z轴后端接口电路18分别转换成单端闭环控制模拟量，单端闭环控制模拟量传给电流源电路25，生成核磁共振陀螺磁场闭环控制所需的线圈激励电流，实现集成化、高精度核磁共振陀螺磁场的闭环控制。

如图2所示，给出了本发明的控制原理，FPGA模块控制频率信号的检测以及载波解调和核子谐振频率解调，DSP模块按照一定的控制算法根据FPGA模块的解调量给出磁场闭环控制量，FPGA模块根据数模转换芯片的驱动时序逻辑把磁场闭环控制量转换成模拟量，电流源电路把模拟量转换成三轴线圈磁场激励电流，实现核磁共振陀螺磁场闭环控制。

如图3所示，光电探测器得到的调制频率信号经过SMA接口传输可能会混有高频噪声，抗混叠滤波器为避免噪声耦合到模数转换芯片中产生频谱混叠，采用由运放OPA4376搭建的一阶有源滤波器，通过调节电阻R5、R4和R7的阻值以及电容C35的容值，可以改变滤波器的截止频率，图3中所示的一阶有源滤波器的截止频率是214.69KHz。

如图4所示，前端调理电路由全差分运算放大器THS4503进行搭建，前端调理电路把调制频率单端信号转换成0～2.3V的差分信号，适于差分输入的模数转换芯片的输入范围，同时留有差分输出测试点，可以对差分信号进行测试。

如图5所示，本发明的模数转换芯片是TI公司的ADS5553芯片，该芯片具有14位精度，65M采样速率，2对差分输入，3.3V单电源供电，功耗只有170mW。14位高速并行接口保证了转换结果高速的输出以减小系统的延时，较高的采样速率使得采样信息丰富，可以多点平均，抑制白噪声，有利于陀螺频率信号的测量；ADS5553采用外部时钟供入，外部时钟比内部时钟供入的精度高，采用单端时钟供入AD，并且在CLKPA和供入时钟间接一个容值为0.01uF的陶瓷电容，目的是滤除高频杂波干扰，保证送入ADS5553的时钟质量；ADS5553的基准参考电压选用外部基准电压源，基准芯片用TI公司的REF3125和REF3112芯片，具有0.2％的高精度和15ppm/℃的低温漂，可以提高模数转换芯片的精度。

如图6(a)、(b)、(c)所示，本发明所采用的FPGA芯片为Xilinx公司的SPARTAN6系列的XC6SLX150芯片，拥有484个管脚，总共有Bank0、Bank1、Bank2、Bank3共4个Bank区,I/O数量达到338个，丰富的I/O资源满足磁场闭环控制电路系统的需求；该芯片采用50M的晶振做为系统时钟，内部集成有180个18×18位的乘法器，保证了载波调制频率解调模块和核子谐振频率解调模块的高速执行。该芯片对调制频率信号进行采样，完成信号解调，并把解调量通过XINTF总线与DSP通信，根据模数转换芯片的驱动时序逻辑为电源电路提供磁场闭环控制模拟量。

如图7所示，本发明采用TI公司的TMS320F28335芯片作为控制算法执行芯片，与C2000系列相比数据处理能力显著增强，能够满足核磁共振陀螺磁场闭环高精度控制算法的要求。外扩RAM采用一片16×512K的IS61LV51216，外扩芯片满足控制算法执行时对存储容量和速度的要求。

如图8所示，本发明所采用的数模转换芯片是TI公司的DAC2904芯片，该芯片具有14位分辨率，保证了磁场控制的极限，并且拥有125M更新速率，建立时间达到30ns,有利于磁场闭环控制的实时性；双通道电流互补型差分输出，封装是TQFP-48，体积小可以减少占用电路板的面积，提高数字控制系统的集成度；该芯片采用外部时钟供入，外部时钟的信号质量会更好，可以高精度的把三轴闭环控制数字结果转换成三轴闭环控制模拟量。

如图9所示，本发明的输出信号接口电路主要是把DAC2904的差分电流输出转换成适合驱动同轴线路的单端电压信号，采用TI公司的运算放大器芯片OPA690，配置的电阻值使运放的增益是2，输出信号接口电路把差分电流信号调理成电压为-1V～1V的单端信号，最终得到电流源电路所需要的驱动模拟量。

如图10所示，本发明的FPGA和DSP外围扩展接口电路主要是把FPGA和DSP的丰富I/O口给扩展出来，JP1、JP2、JP3、JP5、JP6是FPGA的外围扩展I/O口，JP4是DSP的外围扩展I/O口，扩展接口电路可以使FPGA和DSP方便地、灵活地、可重复地对外围器件进行控制，增加了磁场闭环控制系统的调试冗余性。

如图11所示，本发明的电源模块主要是对磁场闭环控制电路系统进行供电，满足磁场闭环控制电路系统各个模块的供电需求，特别地电源模块采用AMS1117-3.3给FPGA芯片的输出驱动电压和辅助电压供入3.3V，采用AMS1117-1.2给FPGA芯片的内部电压供入1.2V，采用TPS767D301芯片给DSP芯片供入3.3V和1.9V的电压。

FPGA控制流程图如图12所示，系统上电后从配置芯片中加载逻辑信息，成功加载后进入工作模式。进入工作模式后，FPGA并行完成2个功能：(1)当设定的采样时间到时，FPGA芯片将根据模数转换逻辑对核磁共振陀螺调制频率信号进行采样，调制频率信号采样结束后，FPGA对调制频率信号进行高频载波解调和核子谐振频率解调，FPGA中的解调量与DSP之间进行通信，把解调量传给DSP(2)当FPGA检测到DSP控制完成标志位置1后，就结合数模转换逻辑对DSP按照一定控制算法生成的控制量进行数模转换，生成磁场闭环控制模拟量。

DSP控制流程图如图13所示，系统上电后，DSP首先进行初始化，初始化结束后进入工作模式，没有中断时DSP执行空操作；当FPGA与DSP之间有通信中断请求且DSP不处于执行中断服务程序时，DSP在中断程序中读取FPGA的信号解调量，并按照一定的控制算法对解调量进行控制生成磁场闭环控制数字量。假如有通信中断请求且DSP处于中断执行过程中，则等待DSP执行完中断程序后再对该中断进行处理。

本发明虽为集成化核磁共振陀螺磁场闭环控制系统，但也可以作为一种通用的原子自旋陀螺仪控制平台，应用者可以根据其特殊的应用领域通过修改软件程序来灵活方便地实现其功能。

Claims (5)

1.一种集成化核磁共振陀螺磁场闭环数字控制系统，其特征在于：包括：

输入信号接口电路(5)，与模数转换芯片(6)相接，用于将载体系观测到的调制频率信号调理成0～2.3V的差分信号；

模数转换芯片(6)，与FPGA模块(11)相接，用于对陀螺共振调制频率信号进行采样，得到数字化的调制频率信号；

FPGA模块(11)，与DSP模块(13)相接，对模数转换芯片采样的数字化调制频率信号进行一次载波解调和二次核子谐振频率解调，得到DSP模块所需要的控制解调数据；

DSP模块(13)，通过XINTF总线与FPGA模块(11)进行通信，获取控制解调数据，DSP模块(13)按照控制算法对解调数据进行控制和处理，生成三轴磁场线圈控制量，再通过XINTF总线通信把控制量传送给FPGA模块(11)；

数模转换模块(21)，与FPGA模块(11)和输出信号接口电路(23)相接，把三轴磁场线圈控制量转化为差分模拟信号；

输出信号接口电路(23)，把差分模拟信号转换成电压为-1V～1V的单端信号，得到电流源电路所需要的驱动模拟量；

电流源电路(25)，与输出信号接口电路(23)相接，根据输出信号接口电路的模拟量驱动相应的三轴磁场线圈，从而控制核磁共振陀螺三轴线圈的电流随DSP给定的控制量变化。

2.根据权利要求1所述的集成化核磁共振陀螺磁场闭环数字控制系统，其特征在于：所述的FPGA模块(11)包括配置芯片电路(7)、时钟电路(9)、电源模块(10)及FPGA芯片(8)，其中FPGA芯片(8)采用SPARTAN6 XC6SLX150芯片作为解调载体系调制频率的信号处理器，配置芯片电路(7)采用XCF32PFS48C作为JTAG上电扫描加载程序的FLASH芯片，时钟电路(9)采用50MHZ有源晶振，同时预留有时钟供入接口，电源模块(10)采用AMS1117-3.3和AMS1117-1.2芯片生成FPGA芯片(8)所需要的内部供电电压1.2V、输出驱动电压3.3V及辅助供电电压3.3V。

3.根据权利要求1所述的集成化核磁共振陀螺磁场闭环数字控制系统，其特征在于：所述的DSP模块(13)包括DSP芯片(26)、外扩Flash存储器(12)、DSP下载接口电路(16)、DSP时钟电路(15)，其中DSP芯片(26)采用一片TMS320F28335做为控制算法的处理器，DSP下载接口电路(16)采用一片PACDN046芯片来进行防静电保护，DSP时钟电路(15)采用30MHZ四角有源晶振，外扩Flash存储器(12)采用IS61LV512芯片来进行存储容量的扩展。

4.根据权利要求1所述的集成化核磁共振陀螺磁场闭环数字控制系统，其特征在于：输入信号接口电路(5)中的抗混叠滤波器电路(27)由运算放大器OPA4376芯片搭建的一阶有源低通滤波器完成，前端调理电路(28)由全差分运算放大器THS4503完成。

5.根据权利要求3所述的集成化核磁共振陀螺磁场闭环数字控制系统，其特征在于：DSP芯片(26)按照一定的控制算法完成对核磁共振陀螺三轴线圈磁场控制量的生成。