CN111856987A - 一种基于dsp和fpga的激光陀螺稳频控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DSP和FPGA的激光陀螺稳频控制系统及方法，该系统包括压电陶瓷、环形谐振腔，还包括光强检测装置、SBS检测装置、光强滤波电路、A/D转换器、D/A转换器、高压放大电路和微处理器，微处理器包括DSP主处理器和FPGA协处理器；光强检测装置与光强滤波电路连接，光强滤波电路和SBS检测装置与A/D转换器电连接，A/D转换器与FPGA协处理器连接，FPGA协处理器与DSP主处理器相连通，DSP主处理器与上位机连接；FPGA协处理器与D/A转换器输入端口电连接。本发明提供的基于DSP和FPGA的激光陀螺稳频控制系统及方法，具有差动推拉稳频功能，提高了激光陀螺的测量精度。

Description

一种基于DSP和FPGA的激光陀螺稳频控制系统及方法

技术领域

本发明涉及激光陀螺的稳频控制系统技术领域，特别是涉及一种基于DSP和FPGA的激光陀螺稳频控制系统及方法。

背景技术

在激光陀螺的环形谐振腔内，激光的振荡频率v为环形谐振腔的纵模频率即v＝qc/n L，式中：L为环形谐振腔的长度，以下简称腔长；c为光速；n为折射率；q为正整数，称为一个模式；许多因素会引起腔长L及折射率n的变化，二者又会引起纵模频率v的变化，其变化量△v可表示为：

当腔长发生变化时纵模频率v将在增益轮廓内漂移，引起激光陀螺标度因数的变化以及零位漂移，导致激光陀螺的测量误差。

因此，标度因数的稳定性和精度主要取决于腔长L的精度及稳定性，虽然激光陀螺采用了膨胀率较小的微晶石英玻璃，但仍然会在周围环境变化时产生微小形变，最终影响激光陀螺的功能。为避免腔长L受诸如温度等环境因素的影响而变化，必须采用稳定措施，最佳的方法就是利用激光器主动稳频，将腔长稳定。一般激光陀螺都是工作在单横模多纵模的模式下，因此稳频电路在上电之后首先需要通过驱动电路控制执行机构对各纵模进行遍历，找到众多纵模中位置居中的一个，并且将该纵模所对应的腔长值记录并通过驱动电路输出。其次，稳频电路还需要同时输出频率、幅度稳定的调制信号作用于驱动机构上，与此同时稳频控制单元接收调制后的陀螺光强信号作为反馈输入，通过相敏解调算法控制激光陀螺抓卡移动以保持陀螺腔长恒定，使激光陀螺稳定工作在预设的工作模式点上。近些年来的研究表明背向散射光的幅值和相位会随着原始光在反射镜上反射点的不同而发生变化，可以通过将背向散射信号提取出来，并激光陀螺控制在背向散射信号最小处可以有效的提高陀螺仪的测量精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于DSP和FPGA的激光陀螺稳频控制系统及方法，使用DSP和FPGA相结合的微处理器实现了压电陶瓷补偿的数字化，具有差动推拉稳频功能，提高了激光陀螺的测量精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于DSP和FPGA的激光陀螺稳频控制系统，该系统包括激光陀螺本体以及设置在激光陀螺本体上的压电陶瓷、环形谐振腔，还包括光强检测装置、SBS检测装置、光强滤波电路、A/D转换器、D/A转换器、高压放大电路和微处理器，所述微处理器包括DSP主处理器和FPGA协处理器；

所述光强检测装置用于采集激光陀螺光强信号，激光陀螺光强信号包括直流光强信号和交流光强信号，所述SBS检测装置用于采集背向散射信号，所述光强检测装置与所述光强滤波电路连接，所述光强滤波电路和SBS检测装置的输出端与所述A/D转换器的输入端电连接，所述A/D转换器的输出端与所述FPGA协处理器的数据输入端口连接，所述FPGA协处理器的I/O口与所述DSP主处理器的XINTF扩展接口相连通，所述DSP主处理器通过串口通信模块与上位机连接；所述FPGA协处理器的数据输出端口与所述D/A转换器输入端电连接，所述D/A转换器输出通过所述高压放大电路与所述压电陶瓷电连接，所述压电陶瓷粘接在所述环形谐振腔内，控制激光陀螺的腔长，腔长变化引起激光陀螺光强信号的变化，所述光强检测装置将光强信号检测出来，整个系统形成一个闭环系统。

可选的，所述FPGA协处理器包括A/D逻辑控制模块、D/A逻辑控制模块。

可选的，所述SBS检测装置包括背向散射信号提取电路，背向散射信号提取电路包括隔直电路、带通滤波电路、有效值提取电路，隔直电路用于滤除直流光强信号中的直流部分，带通滤波电路负责滤除小抖动信号和部分低频噪声，有效值提取电路用于对陀螺直流光强上叠加的5K～20kHz交流信号的峰值进行提取。

可选的，所述DSP主处理器选用浮点DSP芯片TMS320F28335；所述FPGA协处理器选用型号为EP4CE22F17C6N芯片；所述A/D转换器选用AD7656芯片；所述D/A转换器选用AD5668芯片。

本发明还提供了一种基于DSP和FPGA的激光陀螺稳频控制方法，应用于上述的基于DSP和FPGA的激光陀螺稳频控制系统，包括以下步骤：

S1，使两压电陶瓷电压以设定步长Vstep同幅反相变化，直至推拉幅度达到预设值；

S2，比较每个步长点位置的背向散射信号大小，记录背向散射信号最小值Scatmin以及对应的压电陶瓷电压值；

S3，微处理器输出的背向散射控制信号Vs初始值为0，以3s为一个变化周期，以设定步长Vstep进行变化；

S4，每变化一次，记录背向散射信号实时值，并与之前记录的背向散射信号最小值比较；

S5，如背向散射信号实时值小于背向散射信号最小值，则更新背向散射信号最小值，Vs继续以设定步长Vstep沿原方向变化，重复步骤S3-S4；

S6，如背向散射信号实时值大于或等于背向散射信号最小值，则先恢复到本次变化之前的Vs值，然后再沿反方向以设定步长Vstep进行变化，并重复步骤S4。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于DSP和FPGA的激光陀螺稳频控制系统及方法，DSP和FPGA之间协同并行处理，最大限度发挥多处理器性能，避免了由于单一处理控制方式带来的速度瓶颈，提高了整体性能；本系统一端连接激光陀螺，可以对激光陀螺进行扫模、稳频等相关操作，一端通过主处理器连接上位机，对稳频相关的测试功能进行控制，并对其参数进行显示，便于用户直观观察；通过反馈调节驱动压电陶瓷，调整激光陀螺腔长，保持模态稳定；本系统在稳频电路上集成背向散射信号提取电路，设计了基于背向散射信号最小值搜索的控制方法，背向散射控制信号Vs将根据背向散射信号最小值“上下徘徊”，即驱动陀螺抓卡差动推拉稳频。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于DSP和FPGA的激光陀螺稳频控制系统的结构图；

图2为本发明基于DSP和FPGA的激光陀螺稳频电路原理框图；

图3为本发明背向散射信号提取电路的结构图；

附图标记：1、激光陀螺本体；2、光强检测装置；3、SBS检测装置；4、A/D转换器；5、FPGA协处理器；6、DSP主处理器；7、上位机；8、高压放大电路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于DSP和FPGA的激光陀螺稳频控制系统及方法，使用DSP和FPGA相结合的微处理器实现了压电陶瓷补偿的数字化，具有差动推拉稳频功能，提高了激光陀螺的测量精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图2所示，本发明提供的基于DSP和FPGA的激光陀螺稳频控制系统，激光陀螺本体1以及设置在激光陀螺本体1上的压电陶瓷、环形谐振腔，还包括光强检测装置2、SBS检测装置3、光强滤波电路、A/D转换器4、D/A转换器8、高压放大电路9和微处理器，所述微处理器包括DSP主处理器6和FPGA协处理器5；

所述光强检测装置2用于采集激光陀螺光强信号，激光陀螺光强信号包括直流光强信号和交流光强信号，所述SBS检测装置3用于采集背向散射信号，所述光强检测装置2与所述光强滤波电路连接，所述光强滤波电路和SBS检测装置3的输出端与所述A/D转换器4的输入端电连接，所述A/D转换器4的输出端与所述FPGA协处理器5的数据输入端口连接，所述FPGA协处理器5的I/O口与所述DSP主处理器6的XINTF扩展接口相连通，所述DSP主处理器6通过串口通信模块与上位机7连接；所述FPGA协处理器5的数据输出端口与所述D/A转换器8输入端电连接，所述D/A转换器8输出通过所述高压放大电路9与所述压电陶瓷电连接，所述压电陶瓷粘接在所述环形谐振腔内，控制激光陀螺的腔长，腔长变化引起激光陀螺光强信号的变化，所述光强检测装置2将光强信号检测出来，整个系统形成一个闭环系统。

其中，FPGA协处理器5包括A/D逻辑控制模块、D/A逻辑控制模块；

DSP主处理器选用浮点DSP芯片TMS320F28335，与定点DSP相比，在保持了原有DSP芯片优点的同时，能够执行复杂的浮点运算，可以节省代码执行的时间和存储空间，具有精度高、成本低、功耗小、外设集成度高、数据及程序存储量大和A/D转换更为精确快速等优点；

FPGA为大规模门电路，以硬件方式工作，时钟频率高，内部延时小，速度快，在信号解调、逻辑控制及时序调节上有其优势，能够减轻主控芯片DSP的负担，FPGA协处理器选用型号为EP4CE22F17C6N芯片；A/D转换器选用AD7656芯片；D/A转换器选用AD5668芯片。

该稳频控制系统在通电后首先对激光陀螺进行扫模，扫模的主要工作是DSP主处理器传输扫模控制信号给所述FPGA协处理器，所述FPGA协处理器控制D/A转换器输出电压量采取逐步递增的方式输出，输出的信号经过电压放大电路对激光陀螺的腔长机构(抓卡系统)进行驱动，同时，A/D转换器将采集到的光强信号(直流光强信号)传输给DSP主处理器进行比较，始终记录光强最大值，D/A转换器持续输出给电压放大电路。

激光陀螺光强信号包含直流光强信号和交流光强信号，直流光强信号一般是-3至-4V的电压信号，交流光强信号较小，是叠加在直流光强信号上的周期调制信号。针对交流光强信号，将光信号转换成电信号后进行带通滤波得到交流电压信号，根据谐振腔内激光工作频率与中心频率之间的关系，对所得到的交流电压信号进行相敏检波解调，并整流得到稳频误差的直流电压信号；DSP主处理器经过PID控制后，输出控制电压与扫描电压求和并经电压放大后加到稳频压电组件上，驱动作为稳频压电组件核心器件的稳频压电陶瓷，使腔长发生改变，从而驱动工作点向增益曲线的峰值点移动，使得该稳频误差信号稳定在零值，从而实现稳频。

此外，针对直流光强信号的处理：背向散射光与原始光频率相同，两者之间会发生干涉，干涉信号为一叠加在直流光强上微弱交流信号。随着激光反射点在反射镜上的变化，这种微弱交流信号的幅值也会发生变化。此外，直流光强信号还叠加了1kHz稳频小抖动信号。基于直流光强信号和干涉信号的这些特征，背向散射信号提取电路由以下部分组成：隔直电路、带通滤波电路、有效值提取电路。所述SBS检测装置包括背向散射信号提取电路，如图3所示，背向散射信号提取电路包括隔直电路、带通滤波电路、有效值提取电路，隔直电路用于滤除直流光强信号中的直流部分，带通滤波电路负责滤除小抖动信号和部分低频噪声，有效值提取电路用于对陀螺直流光强上叠加的5K～20kHz交流信号的峰值进行提取。

本系统根据稳频原理，选用高速DSP代替传统的一路陀螺稳频控制需要一个微处理器的工作模式，对激光陀螺进行腔长稳定控制。通过FPGA对稳频电压模拟量采集(AD)、电压驱动信息输出(DA)、及其他外围设备进行逻辑和时序控制，DSP以FPGA分频得到的时钟信号为中断源，对扫模控制、小抖动信号、直流与交流控制算法、压电陶瓷补偿、交流滤波电路进行数字化实现，采用数字PID控制环节代替模拟电路中解调、积分和加法环节，从而实现稳频电路控制的软件化，同时将前级信号调理电路与直流光强调理电路结合到一起，实现电路设计的集成化。

FPGA的I/O口与DSP的XINTF扩展接口相连通。FPGA的I/O口资源宝贵，且I/O口的增加会带来功耗的增长。因此，需合理设计总线宽度，在保证功能的前提下，尽量减少对于I/O端口不必要的占用。FPGA以外部存储器的形式被XINTF接口访问。为了达到时序匹配，FPGA中的XINTF接口控制需要利用XINTF接口的数据、地址总线和读、写信号建立双向RAM。考虑到DSP与FPGA间传输的数据情况，将数据总线设置为16位，地址线为12位，另外附加5根控制信号(时序控制，读写控制，片选信号等)。DSP作为主处理器，主要负责向上位机发送陀螺的监测参数并接收指令，对高压稳流电路进行控制，完成噪声叠加、闭环控制以实现抖动跟随，完成扫模、控模等以实现陀螺腔长控制，并对采集的陀螺数据进行滤波。FPGA作为协处理器，负责完成与DSP的通信、各功能电路模块的逻辑控制，时序调节、信号解调等功能。FPGA通过A/D采样外部信号，通过D/A输出控制信号。A/D采样精度、D/A输出精度和控制算法精度决定了测控系统的精度。

本发明还提供了一种基于DSP和FPGA的激光陀螺稳频控制方法，应用于上述的基于DSP和FPGA的激光陀螺稳频控制系统，包括以下步骤：

S1，使两压电陶瓷电压以设定步长Vstep同幅反相变化，直至推拉幅度达到预设值；

S2，比较每个步长点位置的背向散射信号大小，记录背向散射信号最小值Scatmin以及对应的压电陶瓷电压值；

S3，微处理器输出的背向散射控制信号Vs初始值为0，以3s为一个变化周期，以设定步长Vstep进行变化；

S4，每变化一次，记录背向散射信号实时值，并与之前记录的背向散射信号最小值比较；

S5，如背向散射信号实时值小于背向散射信号最小值，则更新背向散射信号最小值，Vs继续以设定步长Vstep沿原方向变化，重复步骤S3-S4；

S6，如背向散射信号实时值大于或等于背向散射信号最小值，则先恢复到本次变化之前的Vs值，然后再沿反方向以设定步长Vstep进行变化，并重复步骤S4。

上述方法过程中，过程控制中，背向散射控制信号Vs将根据背向散射信号最小值“上下徘徊”，即驱动陀螺抓卡差动推拉稳频。

上述方法基于背向散射信号最小值搜索算法以及闭环跟踪算法，搜索背向散射信号最小值的过程为首先使两压电陶瓷电压以特定步长Vstep同幅反相变化直至推拉幅度达到预设值(两个光波长)，比较每个步长点位置的背向散射信号大小，记录背向散射最小点对应的压电陶瓷电压值，在完成一个差动过程之后，将压电陶瓷推至背向散射最小值处。搜索完成后进入最小值的实时跟踪。

背向散射信号最小值闭环跟踪算法的核心为极值比较法，每次两压电陶瓷电压以特定步长Vstep同幅反相变化，然后记录背向散射信号大小，并与之前保存的背向散射信号最小值Scatmin比较，如后前者小于后者，更新Scatmin并推动两压电陶瓷沿之前的方向继续运动；如后前者大于后者，两压电陶瓷先退回到之前的位置，然后再沿反方向推动，并记录背向散射信号大小。

本发明提供的基于DSP和FPGA的激光陀螺稳频控制系统及方法，DSP和FPGA之间协同并行处理，最大限度发挥多处理器性能，避免了由于单一处理控制方式带来的速度瓶颈，提高了整体性能；本系统一端连接激光陀螺，可以对激光陀螺进行扫模、稳频等相关操作，一端通过主处理器连接上位机，对稳频相关的测试功能进行控制，并对其参数进行显示；通过反馈调节驱动压电陶瓷，调整陀螺腔长，保持模态稳定；本系统在稳频电路上集成背向散射信号提取电路，设计了基于背向散射信号最小值搜索的控制方法，背向散射控制信号Vs将根据背向散射信号最小值“上下徘徊”，即驱动陀螺抓卡差动推拉稳频。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种基于DSP和FPGA的激光陀螺稳频控制系统，包括激光陀螺本体以及设置在激光陀螺本体上的压电陶瓷、环形谐振腔，其特征在于，还包括光强检测装置、SBS检测装置、光强滤波电路、A/D转换器、D/A转换器、高压放大电路和微处理器，所述微处理器包括DSP主处理器和FPGA协处理器；

所述光强检测装置用于采集激光陀螺光强信号，激光陀螺光强信号包括直流光强信号和交流光强信号，所述SBS检测装置用于采集背向散射信号，所述光强检测装置与所述光强滤波电路连接，所述光强滤波电路和SBS检测装置的输出端与所述A/D转换器的输入端电连接，所述A/D转换器的输出端与所述FPGA协处理器的数据输入端口连接，所述FPGA协处理器的I/O口与所述DSP主处理器的XINTF扩展接口相连通，所述DSP主处理器通过串口通信模块与上位机连接；所述FPGA协处理器的数据输出端口与所述D/A转换器输入端电连接，所述D/A转换器输出通过所述高压放大电路与所述压电陶瓷电连接，所述压电陶瓷粘接在所述环形谐振腔内，控制激光陀螺的腔长，腔长变化引起激光陀螺光强信号的变化，所述光强检测装置将光强信号检测出来，整个系统形成一个闭环系统。

2.根据权利要求1的基于DSP和FPGA的激光陀螺稳频控制系统，其特征在于，所述FPGA协处理器包括A/D逻辑控制模块、D/A逻辑控制模块。

3.根据权利要求1的基于DSP和FPGA的激光陀螺稳频控制系统，其特征在于，所述SBS检测装置包括背向散射信号提取电路，所述背向散射信号提取电路包括隔直电路、带通滤波电路、有效值提取电路，所述隔直电路用于滤除直流光强信号中的直流部分，所述带通滤波电路负责滤除小抖动信号和部分低频噪声，所述有效值提取电路用于对激光陀螺直流光强上叠加的5K～20kHz交流信号的峰值进行提取。

4.根据权利要求1的基于DSP和FPGA的激光陀螺稳频控制系统，其特征在于，所述DSP主处理器选用浮点DSP芯片TMS320F28335；所述FPGA协处理器选用型号为EP4CE22F17C6N芯片；所述A/D转换器选用AD7656芯片；所述D/A转换器选用AD5668芯片。

5.一种基于DSP和FPGA的激光陀螺稳频控制方法，其特征在于，应用于权利要求1-4任一的基于DSP和FPGA的激光陀螺稳频控制系统，包括以下步骤：

S1，使两压电陶瓷电压以设定步长Vstep同幅反相变化，直至推拉幅度达到预设值；

S2，比较每个步长点位置的背向散射信号大小，记录背向散射信号最小值Scatmin以及对应的压电陶瓷电压值；

S3，微处理器输出的背向散射控制信号Vs初始值为0，以3s为一个变化周期，以设定步长Vstep进行变化；

S4，每变化一次，记录背向散射信号实时值，并与之前记录的背向散射信号最小值比较；

S5，如背向散射信号实时值小于背向散射信号最小值，则更新背向散射信号最小值，背向散射控制信号Vs继续以设定步长Vstep沿原方向变化，重复步骤S3-S4；

S6，如背向散射信号实时值大于或等于背向散射信号最小值，则先恢复到本次变化之前的Vs值，然后再沿反方向以设定步长Vstep进行变化，并重复步骤S4。

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