CN113514048B - 一种高可靠小型化光纤陀螺信号处理与接口电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高可靠小型化光纤陀螺信号处理与接口电路，属于惯性测量技术领域；包括龙芯处理器、模拟量采集电路、存储器、电源管理电路和接口电路；通过龙芯处理器、模拟量采集电路、存储器、电源管理电路和接口电路实现陀螺的数据传输、计数等功能呢，实现了光纤陀螺的数据处理和接口控制；本发明实现电路的小型化、集成化，同时提高了抗辐照设计指标，电离总剂量(TID)提高到100krad(Si)，抗单粒子翻转(SEU)截面阈值达到75MeV·mg/cm2水平，满足了可靠性和精确度要求。

Description

一种高可靠小型化光纤陀螺信号处理与接口电路
技术领域
本发明属于惯性测量技术领域，涉及一种高可靠小型化光纤陀螺信号处理与接口电路。
背景技术
作为姿态控制系统的关键器件，惯性仪表直接影响系统的精度和性能。商业航天的快速发展对其姿态敏感器的市场需求日渐增大，光纤陀螺组件凭借其体积、精度、空间环境适应性等多方面的优势得以大量应用。
传统光纤陀螺信号处理与接口电路通常采用FPGA+处理器+存储器架构，存储器采用PROM作为备份冗余设计，结构复杂、功耗高、体积大的问题，主要元器件非国产化，价格昂贵。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种高可靠小型化光纤陀螺信号处理与接口电路，实现了电路的小型化、集成化，同时提高了抗辐照设计指标，电离总剂量(TID)提高到100krad(Si)，抗单粒子翻转(SEU)截面阈值达到75水平，满足了可靠性和精确度要求。
本发明解决技术的方案是：
一种高可靠小型化光纤陀螺信号处理与接口电路，包括龙芯处理器、模拟量采集电路、存储器、电源管理电路和接口电路；
接口电路：接收外部陀螺传来的陀螺加表脉冲，对陀螺加表脉冲进行电平转换处理，将电平转换后的陀螺加表脉冲发送至龙芯处理器；
模拟量采集电路：采集外部陀螺角速度模拟信号，对外部陀螺角速度模拟信号进行模数转换，生成外部陀螺角速度数字信号，并将外部陀螺角速度数字信号发送至龙芯处理器；
龙芯处理器：接收接口电路传来的电平转换后的陀螺加表脉冲；接收模拟量采集电路传来的外部陀螺角速度数字信号；并将电平转换后的陀螺加表脉冲和外部陀螺角速度数字信号发送至存储器存储；当接收到外部上位机传来的数传指令后，从存储器中调取电平转换后的陀螺加表脉冲，对电平转换后的陀螺加表脉冲进行计数，并将计数值转换成角速度增量值，并将角速度增量值转换成数据帧，通过接口电路发送至外部上位机；当接收到外部地面测试设备传来的递减信号时，从存储器中调取外部陀螺角速度数字信号，并将外部陀螺角速度数字信号通过接口电路发送至外部地面测试设备；
电源管理电路：实现对龙芯处理器、模拟量采集电路、存储器和接口电路的供电及时序控制。
在上述的一种高可靠小型化光纤陀螺信号处理与接口电路，所述接口电路将陀螺加表脉冲由5V转换为3.3V。
在上述的一种高可靠小型化光纤陀螺信号处理与接口电路，所述龙芯处理器根据需求，将角速度增量值转换成CAN协议或1553B协议的数据帧。
在上述的一种高可靠小型化光纤陀螺信号处理与接口电路，所述龙芯处理器的电离总剂量为100krad；抗单粒子翻转截面阈值为75MeV·mg/cm2；龙芯处理器内部集成了浮点运算处理器。
在上述的一种高可靠小型化光纤陀螺信号处理与接口电路，所述模拟量采集电路采用串行多路AD芯片B128S102RH实现，模拟量采集电路实现8路模拟量的轮流采集，并将采集到的模拟量通过串行方式发送至龙芯处理器。
在上述的一种高可靠小型化光纤陀螺信号处理与接口电路，所述存储器包括4个独立的MRAM，实现4个独立的存储区域。
在上述的一种高可靠小型化光纤陀螺信号处理与接口电路，所述电源管理电路内部设置有线性稳压芯片和时序控制芯片，实现供电时电压稳定及对龙芯处理器、模拟量采集电路、存储器和接口电路的时序控制。
在上述的一种高可靠小型化光纤陀螺信号处理与接口电路，所述龙芯处理器内部设置有脉冲计数器PPC模块、看门狗模块和可配置锁相环模块；其中脉冲计数器PPC模块实现对陀螺加表脉冲的计数；可配置锁相环模块实现对龙芯处理器时钟进行倍频处理；看门狗模块实现看门狗功能。
在上述的一种高可靠小型化光纤陀螺信号处理与接口电路，所述电源管理电路的供电时序为：
电源管理电路先为龙芯处理器提供1.2V电压的供电，在延时t时长后，同时向存储器提供3.3V电压的供电、向接口电路提供3.3V电压的供电、向模拟量采集电路提供5V电压的供电。
在上述的一种高可靠小型化光纤陀螺信号处理与接口电路，所述t为0.2ms。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明采用龙芯1F300作为处理器，具有高度集成化，可通过软件配置实现脉冲计数、看门狗、复位、主备份切换、接口控制等功能，具备浮点运算功能，实现电路的小型化、集成化。同时提高了抗辐照设计指标，电离总剂量(TID)提高到100krad(Si)，抗单粒子翻转(SEU)截面阈值达到75MeV·mg/cm2水平，完全能满足可靠性和精确度要求；
(2)相比于现有技术采用SRAM+PROM的存储结构，本发明用一片四合一MRAM存储器代替，简化电路结构，提高了抗辐照能力；
(3)现有技术模拟量采集采用单路并行AD，外围器件较多，接线复杂，本发明选用串行多路AD，在不损失精度的情况下实现了小型化设计。
附图说明
图1为本发明信号处理与接口电路示意图；
图2为本发明存储器原理图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明针对商业航天中所用陀螺的信号处理电路，为了满足商业航天高可靠性、低功耗、国产化、小型化的要求，在芯片选择、可靠性设计、电路集成度等方面进行改进，将复杂电路集成化，进口芯片国产化，设计一款可靠性高体积小的光纤陀螺信号处理与接口电路。
光纤陀螺信号处理与接口电路，如图1所示，具体包括龙芯处理器、模拟量采集电路、存储器、电源管理电路和接口电路。
接口电路：接收外部陀螺传来的陀螺加表脉冲，对陀螺加表脉冲进行电平转换处理，接口电路将陀螺加表脉冲由5V转换为3.3V，并将电平转换后的陀螺加表脉冲发送至龙芯处理器。
模拟量采集电路：采集外部陀螺角速度模拟信号，对外部陀螺角速度模拟信号进行模数转换，生成外部陀螺角速度数字信号，并将外部陀螺角速度数字信号发送至龙芯处理器。
龙芯处理器：接收接口电路传来的电平转换后的陀螺加表脉冲；接收模拟量采集电路传来的外部陀螺角速度数字信号；并将电平转换后的陀螺加表脉冲和外部陀螺角速度数字信号发送至存储器存储；当接收到外部上位机传来的数传指令后，从存储器中调取电平转换后的陀螺加表脉冲，对电平转换后的陀螺加表脉冲进行计数，并将计数值转换成角速度增量值，并将角速度增量值转换成数据帧，龙芯处理器根据需求，将角速度增量值转换成CAN协议或1553B协议的数据帧，通过接口电路发送至外部上位机；当接收到外部地面测试设备传来的递减信号时，从存储器中调取外部陀螺角速度数字信号，并将外部陀螺角速度数字信号通过接口电路发送至外部地面测试设备。
电源管理电路：实现对龙芯处理器、模拟量采集电路、存储器和接口电路的供电及时序控制。
龙芯处理器一款以ASIC方法设计，提高了抗辐照设计指标，龙芯处理器的电离总剂量为100krad；抗单粒子翻转截面阈值为75MeV·mg/cm2；可实现单精度浮点运算，能满足信号处理的快速性和精确度要求。龙芯处理器内部集成了浮点运算处理器。龙芯处理器内部设置有脉冲计数器PPC模块、看门狗模块和可配置锁相环模块；其中脉冲计数器PPC模块实现对陀螺加表脉冲的计数；可配置锁相环模块实现对龙芯处理器时钟进行倍频处理；看门狗模块实现看门狗功能。
模拟量采集电路采用串行多路AD芯片B128S102RH实现，模拟量采集电路实现8路模拟量的轮流采集，并将采集到的模拟量通过串行方式发送至龙芯处理器。
如图2所示，存储器包括4个独立的MRAM，实现4个独立的存储区域。存储器是具有高速读取写入能力的MRAM，可无限次写入，具有非易失性和高度集成性。具有四个独立的存储区域，分别由四个片选信号控制，可当做四个存储器使用，代替传统陀螺信号处理电路中的SRAM+PROM。在本发明中将其中两个存储区域用作主备份程序存储器代替双PROM，相互独立，互为冗余,一个存储区域用于数据存储器，代替SRAM。
电源管理电路内部设置有线性稳压芯片和时序控制芯片，实现供电时电压稳定及对龙芯处理器、模拟量采集电路、存储器和接口电路的时序控制。
电源管理电路的供电时序为：
电源管理电路先为龙芯处理器提供1.2V电压的供电，在延时0.2ms时长后，同时向存储器提供3.3V电压的供电、向接口电路提供3.3V电压的供电、向模拟量采集电路提供5V电压的供电。
在上述实施例的基础上，存储器选用LSMR64M08VS4E1型MRAM存储器，MARM利用电子自旋的磁性结构存储信息,拥有FLASH的可编程能力，以及SRAM的高速读取写入能力。具备较强的抗辐照能力，可以代替宇航应用中常见的PROM、FLASH和SRAM，实现小型化设计。龙芯处理器从主份程序MRAM加载程序到数据MRAM中运行，程序定时喂狗，当程序跑飞时，看门狗复位，处理器从备份程序MRAM加载程序到数据MRAM中运行。主份程序MRAM、备份程序MRAM和数据MRAM物理上相互隔离，提高了可靠性。
现有技术采用FPGA+处理器架构，电路复杂，体积较大，集成度不高，抗辐照能力较低。本发明采用龙芯1F300作为处理器，具有高度集成化，可通过软件配置实现脉冲计数、看门狗、复位、主备份切换、接口控制等功能，具备浮点运算功能，实现电路的小型化、集成化。同时提高了抗辐照设计指标，电离总剂量(TID)提高到100krad(Si)，抗单粒子翻转(SEU)截面阈值达到75MeV·mg/cm2水平。完全能满足可靠性和精确度要求。相比于现有技术采用SRAM+PROM的存储结构，本发明用一片四合一MRAM存储器代替，简化电路结构，提高了抗辐照能力。现有技术模拟量采集采用单路并行AD，外围器件较多，接线复杂，本发明选用串行多路AD，在不损失精度的情况下实现了小型化设计。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种高可靠小型化光纤陀螺信号处理与接口电路，其特征在于：包括龙芯处理器、模拟量采集电路、存储器、电源管理电路和接口电路；
接口电路：接收外部陀螺传来的陀螺加表脉冲，对陀螺加表脉冲进行电平转换处理，将电平转换后的陀螺加表脉冲发送至龙芯处理器；
模拟量采集电路：采集外部陀螺角速度模拟信号，对外部陀螺角速度模拟信号进行模数转换，生成外部陀螺角速度数字信号，并将外部陀螺角速度数字信号发送至龙芯处理器；
龙芯处理器：接收接口电路传来的电平转换后的陀螺加表脉冲；接收模拟量采集电路传来的外部陀螺角速度数字信号；并将电平转换后的陀螺加表脉冲和外部陀螺角速度数字信号发送至存储器存储；当接收到外部上位机传来的数传指令后，从存储器中调取电平转换后的陀螺加表脉冲，对电平转换后的陀螺加表脉冲进行计数，并将计数值转换成角速度增量值，并将角速度增量值转换成数据帧，通过接口电路发送至外部上位机；当接收到外部地面测试设备传来的递减信号时，从存储器中调取外部陀螺角速度数字信号，并将外部陀螺角速度数字信号通过接口电路发送至外部地面测试设备；
电源管理电路：实现对龙芯处理器、模拟量采集电路、存储器和接口电路的供电及时序控制。
2.根据权利要求1所述的一种高可靠小型化光纤陀螺信号处理与接口电路，其特征在于：所述接口电路将陀螺加表脉冲由5V转换为3.3V。
3.根据权利要求1所述的一种高可靠小型化光纤陀螺信号处理与接口电路，其特征在于：所述龙芯处理器根据需求，将角速度增量值转换成CAN协议或1553B协议的数据帧。
4.根据权利要求1所述的一种高可靠小型化光纤陀螺信号处理与接口电路，其特征在于：所述龙芯处理器的电离总剂量为100krad；抗单粒子翻转截面阈值为75MeV·mg/cm2；龙芯处理器内部集成了浮点运算处理器。
5.根据权利要求1所述的一种高可靠小型化光纤陀螺信号处理与接口电路，其特征在于：所述模拟量采集电路采用串行多路AD芯片B128S102RH实现，模拟量采集电路实现8路模拟量的轮流采集，并将采集到的模拟量通过串行方式发送至龙芯处理器。
6.根据权利要求1所述的一种高可靠小型化光纤陀螺信号处理与接口电路，其特征在于：所述存储器包括4个独立的MRAM，实现4个独立的存储区域。
7.根据权利要求1所述的一种高可靠小型化光纤陀螺信号处理与接口电路，其特征在于：所述电源管理电路内部设置有线性稳压芯片和时序控制芯片，实现供电时电压稳定及对龙芯处理器、模拟量采集电路、存储器和接口电路的时序控制。
8.根据权利要求4所述的一种高可靠小型化光纤陀螺信号处理与接口电路，其特征在于：所述龙芯处理器内部设置有脉冲计数器PPC模块、看门狗模块和可配置锁相环模块；其中脉冲计数器PPC模块实现对陀螺加表脉冲的计数；可配置锁相环模块实现对龙芯处理器时钟进行倍频处理；看门狗模块实现看门狗功能。
9.根据权利要求7所述的一种高可靠小型化光纤陀螺信号处理与接口电路，其特征在于：所述电源管理电路的供电时序为：
电源管理电路先为龙芯处理器提供1.2V电压的供电，在延时t时长后，同时向存储器提供3.3V电压的供电、向接口电路提供3.3V电压的供电、向模拟量采集电路提供5V电压的供电。
10.根据权利要求9所述的一种高可靠小型化光纤陀螺信号处理与接口电路，其特征在于：所述t为0.2ms。
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