CN108645395B - 一种三浮陀螺仪数字解调系统及解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三浮陀螺仪数字解调系统及解调方法，数字解调系统包括前置放大模块、A/D采集模块、逻辑转换模块和主控计算模块。本发明充分利用陀螺稳定平台系统资源，解调系统体积小。该数字解调系统充分利用了主控计算机电路板中主控DSP的高精度运算能力和FPGA的可扩展能力，无需添加任何外部辅助电路，相比于现有高精度三浮陀螺仪解调方案，数字解调系统精简了2套前放电路、3套同步解调电路和低通滤波电路，整个解调系统体积缩减了60％。同时本发明的数字解调方法计算量小，占用内存资源少，抗噪能力强。

Description

一种三浮陀螺仪数字解调系统及解调方法

技术领域

本发明涉及一种三浮陀螺仪数字解调系统及解调方法，用于平台式惯性导航系统的高精度三浮陀螺仪进行解调，属于惯性导航仪器仪表技术领域。

背景技术

陀螺稳定平台是一种隔离载体角运动的惯性稳定系统，其导航精度高，常用在战略武器领域。一套陀螺稳定平台需要三只相互正交安装的高精度三浮陀螺仪，三浮陀螺仪用于载体运动时测量相对于其敏感轴的角位移，根据角位移输出值控制平台向相反方向转动，使角位移输出值回到其设定值。因此，整个陀螺稳定平台系统的动静态特性很大程度上决定于高精度三浮陀螺仪的输出精度。

高精度三浮陀螺仪的角位移输出为一个8kHz的正弦信号，正弦信号的幅值为待解调参数，其值与三浮陀螺仪敏感的角位移成正比关系。现有高精度三浮陀螺仪的输出信号，经过前放电路、同步解调电路和低通滤波电路来实现陀螺信号的输出解调。但是，模拟电路中元器件存在温度偏移大和输出不稳定的缺陷，影响和限制了三浮陀螺仪解调精度的提高，同时由于模拟器件资源的限制，一套陀螺稳定平台中的三只高精度三浮陀螺仪各自都需要一套前放电路、同步解调电路和低通滤波电路，电路规模庞大，相悖于平台系统轻小型化的发展趋势。

随着数字信号处理技术的发展和数字信号处理器性能的提高，平台电气功能集散化、前段数字处理化将是新一代陀螺稳定平台发展趋势。平台采用高性能数字信号处理器后，平台的高精度运算能力和功能扩展性更强，为开发三浮陀螺仪输出数字解调系统提供了必要条件。

如何在保证精度的前提下，减小三浮陀螺仪输出数字解调系统的体积，是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，一种三浮陀螺仪数字解调系统及解调方法，实现解调装置的小型化和高精度。

本发明的技术方案：

提供一种三浮陀螺仪数字解调系统，其特征在于：包括前置放大模块、A/D采集模块、逻辑转换模块和主控计算模块；

三浮陀螺仪的X陀螺仪、Y陀螺仪和Z陀螺仪采集的X向、Y向和Z向角位移数据以及与三浮陀螺仪输出信号同频率的激磁信号经前置放大模块进行幅值调整，A/D采集模块以第一速率进行采样并发送给逻辑转换模块，逻辑转换模块进行将采样后的数据进行存储；主控运算模块以第二速率读取逻辑转换模块存储的角度数据并解调；所述第二速率低于第一速率。

优选的，所述三浮陀螺仪用于载体运动时测量相对于其敏感轴方向的角位移，三浮陀螺仪输出为一个f的正弦信号，正弦信号的幅值为待解调参数，其值与敏感的角位移成正比关系。

优选的，所述第一速率大于2f，第二速率与主控计算模块的运算频率匹配。

优选的，所述前置放大模块包括X向前放电路、Y向前放电路、Z向前放电路以及激磁前放电路，分别X陀螺仪、Y陀螺仪、Z陀螺仪采集的角位移数据以及激磁信号进行反向比例放大调整幅值后再进行滤波。

优选的，逻辑转换模块为FPGA或CPLD，用于控制A/D采集模块的采样速率以及A/D采集数据存储。

优选的，主控运算模块进行解调的方式为：

1)主控芯片读取逻辑转换模块存储的X向、Y向和Z向角度数据D_X(n)、D_Y(n)、D_Z(n)和激磁信号D_SE(n)，其中n＝1,2,…,f₁/f₂，其中f₁为第一速率，f₂为第二速率；

2)取D_X(n)、D_Y(n)、D_Z(n)和D_SE(n)前m个数做乘法和运算，运算式如下：

3)计算得到3路三浮陀螺仪的数字解调结果，X向、Y向和Z向幅值的估计值如下：

其中M_X＝K_XK_AD，M_Y＝K_YK_AD，M_Z＝K_ZK_AD，M_SE＝K_SEK_AD；K_X、K_Y、K_Z、K_SE分别为X向前放电路、Y向前放电路、Z向前放电路和激磁前放电路放大倍数；A_SE为输入激磁信号的幅值；K_AD为A/D采集电路的放大倍数。

优选的，m的取值为正整数，且满足关系式如下：

其中f为三浮陀螺仪输出信号的频率，γ为所需三浮陀螺仪输出信号的周期数量。

提供一种三浮陀螺仪数字解调方法，其特征在于，步骤如下：

(1)A/D采集模块以第一速率对幅值调整后的角度数据及与三浮陀螺仪输出信号同频率的激磁信号采样后发送给逻辑转换模块；

(2)逻辑转换模块将采样后的数据进行存储；主控运算模块以低于第一速率的第二速率读取逻辑转换模块存储的角度数据并解调。

优选的，所述第一速率大于2f，第二速率与主控计算模块的运算频率匹配。

优选的，主控运算模块进行解调的方法如下：

1)主控芯片读取逻辑转换模块存储的X向、Y向和Z向角度数据D_X(n)、D_Y(n)、D_Z(n)和激磁信号D_SE(n)，其中n＝1,2,…,f₁/f₂，其中f₁为第一速率，f₂为第二速率；

2)取D_X(n)、D_Y(n)、D_Z(n)和D_SE(n)前m个数做乘法和运算，运算式如下：

3)计算得到3路三浮陀螺仪的数字解调结果，X向、Y向和Z向幅值的估计值如下：

其中M_X＝K_XK_AD，M_Y＝K_YK_AD，M_Z＝K_ZK_AD，M_SE＝K_SEK_AD；K_X、K_Y、K_Z、K_SE分别为X向前放电路、Y向前放电路、Z向前放电路和激磁前放电路放大倍数；A_SE为输入激磁信号的幅值；K_AD为A/D采集电路的放大倍数。

本发明与现有技术相比的优点如下：

(1)充分利用陀螺稳定平台系统资源，解调系统体积小。该数字解调系统充分利用了主控计算机电路板中主控DSP的高精度运算能力和FPGA的可扩展能力，无需添加任何外部辅助电路，相比于现有高精度三浮陀螺仪解调方案，数字解调系统精简了2套前放电路、3套同步解调电路和低通滤波电路，整个解调系统体积缩减了60％。

(2)数字解调系统资源占用率低，解调结果不用保存，直接提供给后级使用。本发明通过逻辑转换模块FPGA存储100kHz(第一速率)的采样数据，并以1kHz(第二速率)的频率输出给主控DSP，主控DSP以1kHz的速率进行数字解调运算，数字解调周期满足系统后级使用要求，且使得主控DSP的资源占用率降低了100倍。

(3)数字解调方法计算量小，抗噪能力强。对于N个采样点，所采用的数字解调方法只需进行N次乘法和N-1次运算，计算量小，同时数字解调计算过程中无需用完1kHz控制周期中的全部采样数据，计算完成后采样值也不用保存。相比于现有高精度三浮陀螺仪解调方案，解调过程中省去了同步解调和低通滤波等环节，最大限度地降低了模拟器件所产生的噪声。

附图说明

图1为本发明平台式三浮陀螺仪数字解调系统组成框图；

图2为现有平台式三浮陀螺仪解调系统组成框图；

图3为本发明三浮陀螺仪输出采集功能电路原理图；

图4为本发明平台式三浮陀螺仪数字解调方法流程图；

图5为本发明平台式三浮陀螺仪数字解调系统实施案例图，其中图5(a)为数字解调结果统计图，图5(b)为数字解调结果线性回归拟合图。

具体实施方式

如图1所示，一种平台式三浮陀螺仪数字解调系统由高精度三浮陀螺仪和平台主控计算机电路板组成。三只三浮陀螺仪相互正交安装，分别形成空间中敏感轴为X向、Y向和Z向的X三浮陀螺仪、Y三浮陀螺仪和Z三浮陀螺仪，其输出的角位移信号为经过幅度调制的8kHz正弦信号(f＝8000Hz)。平台主控计算机电路板以三浮陀螺仪输出信号同频率的激磁信号为参考信号，实现陀螺输出信号幅值的检测。

平台主控计算机电路板是陀螺稳定平台信息集中处理单元，主要由逻辑功能电路、FPGA和主控DSP组成，其中FPGA和主控DSP之间通过独立的16位并行数据总线相连，FPGA主要负责主控计算机内部逻辑功能电路的控制和数据采集，以及对外惯性导航数据采集、串行总线数据的收发和采集等功能，主控DSP采用高性能的C6713DSP数字信号处理器，主要负责根据陀螺稳定平台的功能，对FPGA采集到惯性数据进行相应功能的计算，例如实现陀螺稳定平台系统稳定控制计算、载体姿态解算等。正是因为主控DSP具有的高精度运算能力和FPGA具有很强的可扩展能力，在平台主控计算机电路板上设计三浮陀螺仪输出采集功能电路(包括输出前放电路、A/D采集电路)，FPGA获得三浮陀螺仪输出数据和激磁信号数据后送入主控DSP，主控DSP设计陀螺数字解调方法，最终实现陀螺输出信号幅值的检测。

FPGA形成A/D数据采集逻辑、A/D芯片控制逻辑、FPGA及处理器间操作接口逻辑。A/D芯片控制逻辑控制A/D数据采集电路以100kHz频率(第一速率f₁＝10⁵Hz)进行采样，A/D数据采集逻辑用于接收A/D数据采集电路输出的100kHz频率的数据并发送给FPGA及处理器间操作接口逻辑，FPGA及处理器间操作接口逻辑进行A/D数据存储，并以1kHz频率(第二速率f₂＝10³Hz)发送给主控DSP。f₁可根据香浓采样定理确定，即要求大于16kHz(2倍的三浮陀螺仪输出正弦信号频率)，f₂由主控计算模块的运算周期决定，速率一般为0.5kHz～2kH。

主控DSP的数据读取模块接收1kHz频率的三浮陀螺仪输出数据，并进行解调运算，将解调后的结果输出给后级运算使用。

如图2所示，现有平台式三浮陀螺仪解调系统由模拟电路组成，主要由前放电路、同步解调电路和低通滤波电路组成。其中，前放电路将三浮陀螺仪输出信号幅值进行一定程度的放大；同步解调电路将放大后的陀螺输出信号与同频率的激磁信号相乘，相乘后所得载波信号为一个包含陀螺输出幅值的直流成分和陀螺输出信号2倍频(即2×f＝16000Hz)的交流成分；设计低通滤波电路截止频率远小于16kHz，即可从同步解调输出信号中提取直流成分，低通滤波器输出信号与实际陀螺输出信号幅值成一定比例，即为三浮陀螺仪输出解调信号；最后，三浮陀螺仪输出解调信号经过A/D，被主控电路板中FPGA采集。由于模拟器件资源的限制，X、Y、Z三只高精度三浮陀螺仪各自都需要一套前放电路板、解调电路板，电路板数目多、规模庞大，相悖于陀螺稳定平台轻小型化趋势；同时电路板中使用的模拟器件存在温度偏移大和输出不稳定的缺点，大大降低了三浮陀螺仪的解调精度。

如图3所示，三浮陀螺仪输出采集功能电路包括前放电路和A/D采集电路两部分。前放电路通过运算放大器TL064芯片将3路三浮陀螺仪输出信号和1路激磁信号进行反向比例放大和滤波，放大倍数表达式如下：

其中，K_X、K_Y、K_Z、K_SE分别为3路三浮陀螺仪和激磁信号的放大倍数。放大后的陀螺输出信号采用AD7606芯片(16位、8通道同步采样模数数据采集系统)进行采集，其中8个通道模拟信号输入范围为±10V和±5V两种工作方式，同时8个通道的最大采样频率为200kHz，远大于模拟输入信号频率(8kHz)的2倍，A/D采样过程可满足香农采样定理。本系统中设置A/D启动后，以100kHz采样频率对8个通道的输入模拟信号进行连续同步采样；设置模拟信号输入范围为±10V，由于A/D转换为16位的，因此输入信号数字化后分辨率为1.5×10^-4V/LSB。

A/D采集电路中，AD7606的模数转换关系表达式如下：

D(n)＝K_ADV_in(n) (2)

其中，Vin(t)为AD7606模拟输入端信号，n＝t×10^-5表示AD7606对模拟输入端信号以100kHz频率采样，K_AD为A/D采集电路放大倍数且K_AD＝32768/10，D(n)为A/D采集电路输出的数据。因为X三浮陀螺仪、Y三浮陀螺仪、Z三浮陀螺仪和激磁信号在AD7606模拟输入端信号表达式如下：

其中，A_X、A_Y、A_Z分别为待检测的3路三浮陀螺仪输出信号幅值，

为激磁信号幅值，f＝8000为三浮陀螺仪输出信号频率，t为时间，φ为3个陀螺输出信号和激磁信号之间的固有相位差，生产过程中严格控制|φ|≤5°。所以可推导出FPGA锁存的X三浮陀螺仪输出、Y三浮陀螺仪输出、Z三浮陀螺仪输出和激磁信号A/D转换数据点表达式如下：

其中，M_X＝K_XK_AD，M_Y＝K_YK_AD，M_Z＝K_ZK_AD，M_SE＝K_SEK_AD，f₁/f₂＝100，N＝1/(f×10^-5)＝12.5。

如图4所示，一种平台式三浮陀螺仪数字解调方法，以1kHz同步信号下降沿作为中断源，步骤如下：

1)以1kHz同步信号下降沿为一个控制周期起始时刻，FPGA锁存上一个周期中3路三浮陀螺仪输出A/D转换数据和1路激磁信号A/D转换数据，A/D转换数据如公式(4)所示，其中每1路A/D转换数据为100个点(f₁/f₂＝100)约8个周期(f/f₂＝8)的信号，每个周期采样了12个或13个点(f₁/f＝12.5)；

2)FPGA将公式(4)中锁存的3路三浮陀螺仪输出A/D转换数据和1路激磁信号A/D转换数据放入相应地址的数据缓冲寄存器中；

3)主控DSP以1kHz同步信号频率，从FPGA的数据缓冲寄存器中读取3路三浮陀螺仪输出A/D转换数据D_X(n)、D_Y(n)、D_Z(n)和1路激磁信号A/D转换数据D_SE(n)，其中n＝1,2,…,f₁/f₂；

4)计算得到3路三浮陀螺仪输出信号的幅值：

41)主控DSP读取的D_X(n)、D_Y(n)、D_Z(n)和D_SE(n)表达式如公式(4)

所示；

42)取D_X(n)、D_Y(n)、D_Z(n)和D_SE(n)取前m个数，m的取值为正整数，且满足关系式如下：

γ为所需三浮陀螺仪输出信号的周期数量。在本实施例中m取50个(即γ＝50×f/f₁＝4，4个完整的模拟信号输入周期)进行乘法和运算后表达式如下：

43)计算得到3路三浮陀螺仪的数字解调结果，幅值的估计值如下：

图4中，X三浮陀螺仪、Y三浮陀螺仪和Z三幅陀螺仪采用相同的数字解调方法，以X三浮陀螺仪为例，理论上公式(5)展开为：

其中，

因此可得

R_X＝A_XM_XA_SEM_SE×25×cosφ (8)

同理，将公式(5)中Y三浮陀螺仪和Z三浮陀螺仪展开后理论值为：

由公式(9)可知，3路三浮陀螺仪的数字解调计算结果和理论值之间关系式如下：

因为在生产过程中严格控制|φ|≤5°，即cosφ≥0.996，所以在数字解调过程中忽略了cosφ的影响。

实施例1：为验证本发明的实用性和正确性，采用函数信号发生器提供8kHz、9V有效值的正弦激磁信号和不同幅值下的三浮陀螺仪输出8kHz正弦信号，其中每个幅值下实验100次以验证数字结果的重复性，同时设置激磁信号和模拟三浮陀螺仪输出信号间相位为0°。图5(a)给出了当模拟三浮陀螺仪输出信号为2V/8kHz时系统数字解调统计结果图，从图5(a)中可知100次实验后的平均值2.002与理论输入值2V相对误差较小为0.1％，同时3倍标准差为0.0252V，测试结果重复性较好；图5(b)给出了不同模拟三浮陀螺仪幅值下数字解调结果的线性回归拟合图，从图5(b)中可知系统的零位较小为0.132mV，且系统线性度较好为97.56％。可以说明，本发明的解调方法，解调精度高，线性度好，能够满足三浮陀螺仪解调使用要求。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种三浮陀螺仪数字解调系统，其特征在于：包括前置放大模块、A/D采集模块、逻辑转换模块和主控计算模块；

三浮陀螺仪的X陀螺仪、Y陀螺仪和Z陀螺仪采集的X向、Y向和Z向角位移数据以及与三浮陀螺仪输出信号同频率的激磁信号经前置放大模块进行幅值调整，A/D采集模块以第一速率进行采样并发送给逻辑转换模块，逻辑转换模块进行将采样后的数据进行存储；主控运算模块以第二速率读取逻辑转换模块存储的角度数据并解调；所述第二速率低于第一速率；所述第一速率大于2f，第二速率与主控计算模块的运算频率匹配，f为三浮陀螺仪输出信号的频率。

2.如权利要求1所述的三浮陀螺仪数字解调系统，其特征在于：所述三浮陀螺仪用于载体运动时测量相对于其敏感轴方向的角位移，三浮陀螺仪输出为一个f的正弦信号，正弦信号的幅值为待解调参数，其值与敏感的角位移成正比关系。

3.如权利要求1所述的三浮陀螺仪数字解调系统，其特征在于：所述前置放大模块包括X向前放电路、Y向前放电路、Z向前放电路以及激磁前放电路，分别X陀螺仪、Y陀螺仪、Z陀螺仪采集的角位移数据以及激磁信号进行反向比例放大调整幅值后再进行滤波。

4.如权利要求1所述的三浮陀螺仪数字解调系统，其特征在于：逻辑转换模块为FPGA或CPLD，用于控制A/D采集模块的采样速率以及A/D采集数据存储。

5.如权利要求1所述的三浮陀螺仪数字解调系统，其特征在于：主控运算模块进行解调的方式为：

1)主控芯片读取逻辑转换模块存储的X向、Y向和Z向角度数据D_X(n)、D_Y(n)、D_Z(n)和激磁信号D_SE(n)，其中n＝1,2,…,f₁/f₂，其中f₁为第一速率，f₂为第二速率；

2)取D_X(n)、D_Y(n)、D_Z(n)和D_SE(n)前m个数做乘法和运算，运算式如下：

3)计算得到3路三浮陀螺仪的数字解调结果，X向、Y向和Z向幅值的估计值如下：

其中M_X＝K_XK_AD，M_Y＝K_YK_AD，M_Z＝K_ZK_AD，M_SE＝K_SEK_AD；K_X、K_Y、K_Z、K_SE分别为X向前放电路、Y向前放电路、Z向前放电路和激磁前放电路放大倍数；A_SE为输入激磁信号的幅值；K_AD为A/D采集电路的放大倍数；

m的取值为正整数，且满足关系式如下：

其中γ为所需三浮陀螺仪输出信号的周期数量。

6.一种三浮陀螺仪数字解调方法，其特征在于，步骤如下：

(1)A/D采集模块以第一速率对幅值调整后的角度数据及与三浮陀螺仪输出信号同频率的激磁信号采样后发送给逻辑转换模块；

(2)逻辑转换模块将采样后的数据进行存储；主控运算模块以低于第一速率的第二速率读取逻辑转换模块存储的角度数据并解调；

所述第一速率大于2f，第二速率与主控计算模块的运算频率匹配，f为三浮陀螺仪输出信号的频率。

7.如权利要求6所述的三浮陀螺仪数字解调方法，其特征在于，主控运算模块进行解调的方法如下：

1)主控芯片读取逻辑转换模块存储的X向、Y向和Z向角度数据D_X(n)、D_Y(n)、D_Z(n)和激磁信号D_SE(n)，其中n＝1,2,…,f₁/f₂，其中f₁为第一速率，f₂为第二速率；

2)取D_X(n)、D_Y(n)、D_Z(n)和D_SE(n)前m个数做乘法和运算，运算式如下：

3)计算得到3路三浮陀螺仪的数字解调结果，X向、Y向和Z向幅值的估计值如下：

其中M_X＝K_XK_AD，M_Y＝K_YK_AD，M_Z＝K_ZK_AD，M_SE＝K_SEK_AD；K_X、K_Y、K_Z、K_SE分别为X向前放电路、Y向前放电路、Z向前放电路和激磁前放电路放大倍数；A_SE为输入激磁信号的幅值；K_AD为A/D采集电路的放大倍数；

m的取值为正整数，且满足关系式如下：

其中γ为所需三浮陀螺仪输出信号的周期数量。

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