王立輝，俱子研，袁博文，孔德博，孫業(yè)飛，李奕其

(東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210096)

0 引言

當(dāng)前，光纖陀螺已成為新一代捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中理想的慣性器件。為滿足工程領(lǐng)域的需求，光纖陀螺需要有較寬的工作溫度范圍(通常為-40℃～+60℃)。但光纖陀螺的性能參數(shù)對(duì)環(huán)境溫度的變化很敏感，溫度誤差是其工程化所面臨的難題之一。所以對(duì)光纖陀螺溫度的補(bǔ)償十分必要［1］。

作為本科生科研訓(xùn)練計(jì)劃SRTP(Secure Realtime Transport Protoco)的“光纖陀螺數(shù)字測(cè)溫系統(tǒng)”，以CPLD/FPGA技術(shù)為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖陀螺的溫度信號(hào)快速、準(zhǔn)確地采集，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行顯示和繪制曲線并保存，這些數(shù)據(jù)對(duì)于找出外界環(huán)境溫度對(duì)光纖陀螺的影響以及實(shí)施溫度補(bǔ)償具有重要的參考價(jià)值。

1 項(xiàng)目的設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目是對(duì)傳統(tǒng)數(shù)字信號(hào)采集電路進(jìn)行改進(jìn)得到的，利用FPGA/CPLD技術(shù)實(shí)現(xiàn)光纖陀螺的溫度信號(hào)采集硬件電路設(shè)計(jì)，通過(guò)VHDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)模擬開(kāi)關(guān)的選通、A/D轉(zhuǎn)換器的采樣以及數(shù)據(jù)的處理，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析［2］。

電路總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

1.1 硬件電路的設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目硬件設(shè)計(jì)依據(jù)上述總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖［3］。圖上各組成部分的構(gòu)建可以通過(guò)查閱芯片手冊(cè)以及用Altium軟件進(jìn)行電路仿真，并最終進(jìn)行電路板的焊接完成。這里不一一詳述。

作為一例，介紹一個(gè)圖1沒(méi)有示出的傳感器AD590，它是一個(gè)電流溫度轉(zhuǎn)換器，能產(chǎn)生1μA/K的與溫度成正比的電流，相當(dāng)于一個(gè)恒流源。串聯(lián)一個(gè)電阻可將輸出信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，其中滑動(dòng)變阻器和電阻配合調(diào)節(jié)總阻值到精確值［4］。即傳感器AD590將溫度信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過(guò)圖1的LM358輸入給模擬開(kāi)關(guān)CD4052。AD590的接線方法如圖2所示:

圖2 AD590的接線圖

1.2 軟件部分設(shè)計(jì)

1)VHDL部分

本部分通過(guò)CPLD的軟件編程，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，并送到計(jì)算機(jī)顯示［5］。采集到的信號(hào)為12位二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，要對(duì)此信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，即需要對(duì)此信號(hào)的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行設(shè)計(jì)。將12位數(shù)據(jù)分為高低字節(jié)兩部分，高字節(jié)為5位(D7-D11)，低字節(jié)為7位(D0-D6)，圖3和圖4分別為兩者的數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)。

圖3 高字節(jié)數(shù)據(jù)格式

圖4 低字節(jié)數(shù)據(jù)格式

高低字節(jié)依靠標(biāo)志位識(shí)別，所需數(shù)據(jù)包含在傳輸數(shù)據(jù)串中。

數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)完畢，需要對(duì)處理程序整體進(jìn)行設(shè)計(jì)與編寫。首先，板上有源晶振頻率即CPLD時(shí)鐘為10.000 MHz，而計(jì)算機(jī)串口波特率為9.6 K，故需將晶振頻率分頻1030得到適配于計(jì)算機(jī)串口的時(shí)鐘，其余信號(hào)均在程序中給定，分頻之后的周期，約為 104 μs。

設(shè)計(jì)完成后的程序結(jié)構(gòu)圖如下圖所示:

圖5 原理圖輸入程序結(jié)構(gòu)圖

圖中FP模塊即為1030分頻模塊，RE模塊則是使用FP模塊的時(shí)鐘對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，具體數(shù)據(jù)處理方式為將12位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為串行數(shù)據(jù)發(fā)出，而控制方式則為控制模擬開(kāi)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集，并且為AD轉(zhuǎn)換器提供觸發(fā)的上升沿。最后，使用ISE自帶仿真軟件Isim對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證，滿足設(shè)計(jì)要求。

2)界面設(shè)計(jì)部分

整個(gè)界面用MFC編寫完成，具有新加入的三個(gè)功能鍵并實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前時(shí)間和溫度值。

利用串口通信進(jìn)行對(duì)CPLD數(shù)據(jù)的采集［6］。理論上從串口進(jìn)入計(jì)算機(jī)中的12位數(shù)據(jù)分為兩部分，一部分按8位中最高位為1確定高位數(shù)據(jù)，一部分按8位中最高位為0確定低位數(shù)據(jù)，之后將兩部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)合組成12位溫度數(shù)據(jù)，將其顯示在界面上并畫成曲線。

整體調(diào)零完成后，將測(cè)溫系統(tǒng)置于室內(nèi)測(cè)室溫，圖6為界面實(shí)時(shí)顯示結(jié)果，其中“wendu1”、“wendu2”、“wendu3”、“wendu4”分別對(duì)應(yīng)四路AD590傳感器采集到的溫度信號(hào)，單位為攝氏度。

圖6 界面顯示室溫結(jié)果

2 項(xiàng)目中的問(wèn)題及解決方法

2.1 前期準(zhǔn)備階段

小組成員之前均未接觸過(guò)科研項(xiàng)目，經(jīng)驗(yàn)幾乎為零，知識(shí)儲(chǔ)備量相對(duì)較少，因而在立項(xiàng)之初進(jìn)展緩慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到預(yù)期水平。為加快項(xiàng)目進(jìn)度、提高效率，項(xiàng)目小組經(jīng)開(kāi)會(huì)討論，在指導(dǎo)教師的幫助下，將項(xiàng)目小組分為軟件組和硬件組，兩個(gè)組再分別進(jìn)行更細(xì)致的任務(wù)劃分，使每個(gè)成員的任務(wù)既明確又少而精，并定期進(jìn)行匯總交流。這一模式充分發(fā)揮了人多力量大的優(yōu)勢(shì)，項(xiàng)目進(jìn)度得到提高，保障了項(xiàng)目按時(shí)按量完成。

2.2 設(shè)計(jì)階段

系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍采用軟硬件分開(kāi)，兩者同步進(jìn)行的模式。初次嘗試科研項(xiàng)目，不管是在硬件圖的繪制還是軟件程序的編寫上都遇到了很多問(wèn)題。但是，每一個(gè)問(wèn)題都在項(xiàng)目組的努力下得到解決，其中最為典型和有效的當(dāng)屬多路模擬開(kāi)關(guān)的選取。

初始設(shè)計(jì)圖上并沒(méi)有模擬開(kāi)關(guān)CD4052這一環(huán)節(jié)，測(cè)溫系統(tǒng)共有四路信號(hào)，需要四個(gè)放大器、四個(gè)ADC甚至是四個(gè)CPLD。這樣的設(shè)計(jì)無(wú)疑會(huì)造成資源的浪費(fèi)，而且大大降低了集成度，還對(duì)邏輯上的編程有更高的要求，可行性較差。針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)小組集思廣益，進(jìn)行思考和討論之后提出用一個(gè)CPLD編程對(duì)一個(gè)多路模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)四路信號(hào)的輪換采集。這樣雖然理論上來(lái)說(shuō)得到的信號(hào)是不連續(xù)的，但是相對(duì)于光纖陀螺工作時(shí)的溫度信號(hào)的變化速率來(lái)講，完全可以接受。

2.3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)階段

電路板焊接完成后，需要對(duì)各個(gè)器件的供電、接地等電氣連接進(jìn)行檢查，確保無(wú)短路、斷路現(xiàn)象后，方可進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。在這一階段也會(huì)遇到很多問(wèn)題，但這類問(wèn)題與上節(jié)提到的設(shè)計(jì)階段和前期準(zhǔn)備階段的問(wèn)題不同。對(duì)于這類問(wèn)題，不僅需要去思考，還需要進(jìn)行試驗(yàn)、測(cè)試才能得到較好的解決。

在開(kāi)始階段，有一問(wèn)題頗具代表性。調(diào)節(jié)圖1中放大器INA118外圍電路的滑動(dòng)變阻器使INA118的VIN端大致在2.83 V，測(cè)得AD590電路在室溫下輸出的電壓信號(hào)為2.90 V，將其接入電路板，發(fā)現(xiàn)INA118的輸出電壓值基本為0，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使VIN逐漸減小，當(dāng)至2.5 V時(shí)輸出仍為0，所以基本可推斷不是因?yàn)椴罘中盘?hào)太小而引起的。測(cè)AD590的輸出端，電壓值已變?yōu)?.14 V。因?yàn)閮烧咧苯舆B接，所以不會(huì)存在如此大的信號(hào)衰減。參看AD590的芯片手冊(cè)，項(xiàng)目組猜測(cè)是電路板的阻抗造成電流分流，從而使電壓偏差較大。針對(duì)這一假設(shè)，對(duì)電路板上輸入端和地之間的電阻，以及AD590輸出的電流等進(jìn)行測(cè)量，驗(yàn)證了是電路板與AD590形成并聯(lián)，起到分流的作用，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法準(zhǔn)確采集溫度信號(hào)。找到問(wèn)題后，在電路中填加了LM358，通過(guò)運(yùn)放進(jìn)行電壓跟隨，起到隔離的作用，如前述圖所示，基本消除了電路板對(duì)AD590輸出信號(hào)的分流，很好地實(shí)現(xiàn)了溫度信號(hào)的傳輸。

3 結(jié)語(yǔ)

“光纖陀螺數(shù)字測(cè)溫系統(tǒng)”這個(gè)SRTP項(xiàng)目是筆者第一次自主研發(fā)的科研項(xiàng)目，雖然內(nèi)容比較簡(jiǎn)單，卻也是一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在整個(gè)研發(fā)過(guò)程中，遇到的問(wèn)題與困難不勝枚舉。但是，正是這個(gè)不斷面臨又不斷解決問(wèn)題的過(guò)程才使得我們不斷成長(zhǎng)，不斷地提升自己的能力且獲得如下深切的體會(huì)。

(1)知識(shí)和技術(shù)上的收獲，如 Protel、Quartus、VC++中的MFC、可編程邏輯器件、AD轉(zhuǎn)換芯片等都學(xué)過(guò);VHDL編程、PCB板繪制和界面的設(shè)計(jì)等，在以往的學(xué)習(xí)中也出現(xiàn)過(guò)，但是一點(diǎn)也沒(méi)有實(shí)際運(yùn)用的經(jīng)驗(yàn)。本項(xiàng)目將上述一系列知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐中，對(duì)理論與實(shí)踐結(jié)合的重要性做出了深切地詮釋。

(2)科研技能上有了一些收獲，特別是團(tuán)隊(duì)成員間科學(xué)協(xié)作能最大程度上發(fā)揮團(tuán)隊(duì)優(yōu)勢(shì)，事半功倍的體會(huì)最深。

(3)在文獻(xiàn)資料的查閱上，要廣撒網(wǎng)，先瀏覽，再挑選，避免出現(xiàn)上述遺漏模擬開(kāi)關(guān)一類的問(wèn)題;在遇到困難時(shí)，拖延和逃避不能解決困難，只有勇于直面困難，不畏懼困難并將科學(xué)的方法付諸實(shí)踐，才能真正地解決困難。

［1］延鳳平，簡(jiǎn)水生.光纖陀螺溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)驗(yàn)研究［J］.天津:光電子·激光，1999，14(1):14-17

［2］李鐘揚(yáng).干涉式光纖陀螺的動(dòng)態(tài)溫度漂移特性研究［D］.南京:南京東南大學(xué)碩士學(xué)位論文.2009年11月

［3］朱樟興，朱欣華，萬(wàn)德鈞.高性能多路脈沖信號(hào)采集器在SINS中的應(yīng)用及其CPLD實(shí)現(xiàn)［J］.天津:中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2002，10(3):61-64

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［5］劉歡，歐偉明，陳財(cái)彪，周志偉.基于FPGA和LM75A的測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.株州:湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，28(4):25-29

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