摘 要：光纖陀螺本身所固有的高精度、抗復雜環(huán)境等顯著特點，廣泛用于航海、海天、機器人等軍民用姿態(tài)測量系統(tǒng)中。隨著光纖陀螺的不斷發(fā)展，光纖陀螺通訊速率越來越快，普通PC機的接收數(shù)據(jù)速率已無法滿足光纖陀螺的測試，這很大程度影響了光纖陀螺研制工作的開展。本文提出一種基于FPGA的高效并行測試系統(tǒng)方案，利用FPGA高速計算的特點，結合收發(fā)器，將波特率為1M以上的陀螺數(shù)據(jù)，通過同步、組幀、發(fā)送的方式，轉化為普通PC機能夠接收的低波特率數(shù)據(jù)，且保證陀螺數(shù)據(jù)的完整性，解決光纖陀螺研制過程中的高速數(shù)據(jù)接收問題。

關鍵詞：光纖陀螺;FPGA;測試

1、引言

光纖陀螺作為一種新型全固態(tài)慣性儀表，被廣泛用于航海、航天、機器人和石油儀器等各類軍民用姿態(tài)測量系統(tǒng)中。隨著近幾年技術的不斷發(fā)展，光纖陀螺數(shù)據(jù)輸出速率也隨之增加，以前采用的陀螺測試系統(tǒng)已無法滿足波特率較高的光纖陀螺的測試需求，因此光纖陀螺測試系統(tǒng)也需要提高數(shù)據(jù)采集、處理頻率且對陀螺數(shù)據(jù)的丟幀錯幀有一定的風險處理能力。

本文提出一種基于FPGA的高效并行測試系統(tǒng)方案，采用軟硬件結合的方式，實現(xiàn)對多路陀螺的控制、通訊及數(shù)據(jù)采集。光纖陀螺通用測試系統(tǒng)主要有如下特點：1）可同時對4只陀螺進行測試，支持多種陀螺數(shù)據(jù)通訊波特率及格式，目前最高可達2Mbps;2）通過設置各項參數(shù)（陀螺編號、測試項目、測試時間等），可以完成各項性能測試;3）具有一定的數(shù)據(jù)判斷能力，對于丟、錯幀數(shù)據(jù)，直接舍棄，避免影響陀螺整體工作回路。

2、系統(tǒng)設計

光纖陀螺通用測試系統(tǒng)由硬件子系統(tǒng)與軟件子系統(tǒng)構成，硬件子系統(tǒng)由晶振、接口電路、FPGA、電源電路等組成，是系統(tǒng)工作軟件的載體，主要實現(xiàn)光纖陀螺測試中的各項硬件接口;軟件子系統(tǒng)主要是指FPGA工作軟件，包括時鐘模塊、指令發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)接收模塊等，主要實現(xiàn)對光纖陀螺輸出數(shù)據(jù)的采集、組幀、發(fā)送等功能。

3、具體實現(xiàn)

3.1 硬件子系統(tǒng)實現(xiàn)

硬件子系統(tǒng)是光纖陀螺通用測試系統(tǒng)的硬件載體，由晶振、接口電路、FPGA、電源電路等組成。其中晶振產(chǎn)生系統(tǒng)主時鐘，作為系統(tǒng)工作軟件的時鐘參考;電源電路采用凌特公司的兩款集成電路，實現(xiàn)從主電源（+5V）到兩路數(shù)字電源（+3.3V、+1.5V）的轉換，作為FPGA的供電電源;接口電路采用數(shù)字收發(fā)器及隔離器，實現(xiàn)光纖陀螺測試硬件接口，接收光纖陀螺輸出數(shù)據(jù);FPGA作為系統(tǒng)工作軟件的載體，配合系統(tǒng)工作軟件實現(xiàn)陀螺數(shù)據(jù)的同步、組幀、發(fā)送等功能。

3.2 軟件子系統(tǒng)實現(xiàn)

軟件子系統(tǒng)是指FPGA工作軟件，由時鐘模塊、指令發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)組幀及發(fā)送模塊等組成，各模塊功能及實現(xiàn)如下。

3.3時鐘模塊

時鐘模塊主要是產(chǎn)生數(shù)據(jù)采集時鐘、指令發(fā)送時鐘和數(shù)據(jù)發(fā)送時鐘，分別作為接收數(shù)據(jù)、發(fā)送指令和發(fā)送數(shù)據(jù)的時鐘基準。該模塊先通過FPGA芯片內部的鎖相環(huán)將晶振產(chǎn)生的時鐘進行倍頻，形成系統(tǒng)工作的主時鐘CLK，再定義三個寄存器，分別通過位翻轉判斷的方式，形成數(shù)據(jù)采集時鐘R_clk、指令發(fā)送時鐘O_clk和數(shù)據(jù)發(fā)送時鐘S_clk，作為數(shù)據(jù)接收模塊、指令發(fā)送和數(shù)據(jù)組幀及發(fā)送模塊的輸入時鐘。

3.4指令發(fā)送模塊

指令發(fā)送模塊主要是產(chǎn)生陀螺觸發(fā)指令，作為外觸發(fā)模式光纖陀螺的發(fā)數(shù)信號。該模塊先定義一個字節(jié)的數(shù)組，將陀螺觸發(fā)指令存入該數(shù)組，然后通過移位寄存器將該數(shù)組的內容發(fā)出，形成陀螺發(fā)數(shù)信號。該模塊只針對于外觸發(fā)模式光纖陀螺的測試，對于自觸發(fā)模式的光纖陀螺可以屏蔽，不予使用。

3.5數(shù)據(jù)接收模塊

數(shù)據(jù)接收模塊主要是接收陀螺輸出數(shù)據(jù)。利用時鐘模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)采集時鐘，對陀螺輸出數(shù)據(jù)采取“八判七”的方式，進行數(shù)據(jù)收集，并利用校驗位對數(shù)據(jù)的真實性進行判斷，對于錯幀數(shù)據(jù)舍棄處理，同時置位錯幀標志寄存器，上位機根據(jù)錯幀標志寄存器決定是否停止測試，方便研發(fā)人員進行問題定位。

3.6數(shù)據(jù)組幀及發(fā)送模塊

數(shù)據(jù)組幀及發(fā)送模塊是將接收的陀螺輸出數(shù)據(jù)，按照上位機采集數(shù)據(jù)的格式，進行組幀，形成起始位、停止位、校驗位和校驗字節(jié)，同時將時鐘模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)發(fā)送時鐘作為數(shù)據(jù)輸出基準，通過移位寄存器的方式將組幀后的數(shù)據(jù)進行移位輸出，當全部數(shù)據(jù)輸出完之后，置位發(fā)送完成標志寄存器。

在整個測試系統(tǒng)中，軟件子系統(tǒng)發(fā)揮著至關重要的作用，所有的測試邏輯基本通過軟件實現(xiàn)，因此軟件是否正確就確定測試工作是否準確進行，下面通過功能驗證確保測試系統(tǒng)的準確性。

4、功能驗證

為準確的評價測試系統(tǒng)的性能，分別選取已知性能指標的外觸發(fā)模式光纖陀螺1只（通訊波特率為1.25M，陀螺觸發(fā)指令為0x55）和自觸發(fā)模式光纖陀螺1只（通訊波特率為921600bps）作為性能評價依據(jù)。按照光纖陀螺測試大綱要求，對這兩只陀螺進行測試，測試項目包括常溫零偏穩(wěn)定性、常溫標度性能、閾值測試等，測試過程中光纖陀螺通信正常，各項測試結果均與已知性能指標一致，可以看出，光纖陀螺通用并行測試系統(tǒng)的指標完全滿足光纖陀螺的測試要求。

5、總結

本文提出了一種基于FPGA的光纖陀螺通用并行測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)功能集成化程度較高，可根據(jù)不同的陀螺數(shù)據(jù)輸出波特率進行匹配設計，極大地節(jié)省了研發(fā)人員時間與工作量，提高了光纖陀螺的生產(chǎn)交付進度。經(jīng)過一段時間的使用與測試表明，該系統(tǒng)可靠性高，且能夠完成光纖陀螺幾乎所有參數(shù)的測試，對后續(xù)光纖陀螺的研發(fā)和測試工作，意義重大。

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作者簡介：

陳楠（1994.04-），性別：男，民族：漢，籍貫：江西省九江市，當前職務：設計員，

當前職稱：助理工程師，學歷：大學本科，研究方向：光纖陀螺。

（作者單位：貴州航天控制技術有限公司）