傅 軍， 常 揚(yáng)，2， 寧治文， 江鵬飛， 韋宏瑋

（1.海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢430033；2.中國(guó)人民解放軍92768 部隊(duì)，廣東汕頭515800）

0 引 言

隨著干涉式光纖陀螺儀（Interferometric Fiber Optic Gyroscope，IFOG）在航空、航海等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用［1］，高等院校相關(guān)本科專(zhuān)業(yè)對(duì)光纖陀螺儀技術(shù)的教學(xué)需求也在不斷增長(zhǎng)。IFOG 的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)是慣性傳感器相關(guān)課程中的重要內(nèi)容。Sagnac 效應(yīng)是IFOG技術(shù)的物理基礎(chǔ)［2］，IFOG 螺儀可用來(lái)測(cè)量運(yùn)載體相對(duì)慣性空間的旋轉(zhuǎn)角速度（Angular Velocity of Rotation，AVR），運(yùn)載體旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，Sagnac 相移導(dǎo)致光波干涉條紋產(chǎn)生微小移動(dòng)，從而測(cè)得AVR［3-4］。

封裝好的成品光纖陀螺［5］直接運(yùn)用到光纖陀螺的原理教學(xué)時(shí)，只能觀(guān)測(cè)其輸入和輸出，無(wú)法直觀(guān)反映光纖陀螺儀內(nèi)部光路結(jié)構(gòu)、連接關(guān)系和信號(hào)特征。國(guó)內(nèi)外雖有少數(shù)公司推出了一些光纖陀螺原理教學(xué)的相關(guān)產(chǎn)品，但是在成本、易用性和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的覆蓋程度上與教學(xué)需求還存在一定差距。為此根據(jù)慣性傳感器原理本科相關(guān)專(zhuān)業(yè)教學(xué)需要，本文設(shè)計(jì)了一種同軸IFOG實(shí)驗(yàn)裝置。其主要特點(diǎn)是能將光纖陀螺光路結(jié)構(gòu)、連接關(guān)系進(jìn)行直觀(guān)展示，光纖環(huán)的敏感軸和旋轉(zhuǎn)臺(tái)體的旋轉(zhuǎn)軸同軸設(shè)置，關(guān)鍵信號(hào)通過(guò)滑環(huán)從轉(zhuǎn)臺(tái)引出便于測(cè)量，配套的小型桌面轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速可調(diào)。

1 總體設(shè)計(jì)

IFOG教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置包括光路、電路和旋轉(zhuǎn)控制三部分。光路部分主要包括超輻射發(fā)光管（SLD）、保偏光纖分束器（PMFS）、多功能集成光波導(dǎo)調(diào)制器（MIOC）、帶骨架光纖環(huán)（PMFC）和光接收組件（PINFET）。電路部分主要包括信號(hào)處理電路板、光源驅(qū)動(dòng)與溫控電路板和電源配適電路板等。

信號(hào)處理電路板是電路的主要部分，信號(hào)處理電路板以FPGA為核心，包括串口模塊（UART）、濾波耦合電路模塊（AMP＆FILTER）、溫控模塊（TEMP）、單端轉(zhuǎn)差分電路模塊（AMP2）、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）、2 路數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊（DAC1 和DAC2）、差分轉(zhuǎn)單端信號(hào)模塊和電源模塊。

旋轉(zhuǎn)控制部分主要包括旋轉(zhuǎn)臺(tái)體、轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)速控制盒等。轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)速控制盒包含步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及相應(yīng)電路板，轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)速控制盒電路板包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器模塊、驅(qū)動(dòng)電源模塊、接口控制電路模塊等［6］。轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)速控制盒通過(guò)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制旋轉(zhuǎn)臺(tái)體旋轉(zhuǎn)速度，并實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的顯示。實(shí)驗(yàn)裝置工作原理示意圖如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置工作原理示意圖

光路信號(hào)首先由SLD 發(fā)出的光源以光信號(hào)的形式傳到PMFS。然后信號(hào)被分成兩路，一路導(dǎo)入PINFET；另一路經(jīng)MIOC調(diào)制后，分成兩束分別沿順時(shí)針和逆時(shí)針進(jìn)入PMFC。經(jīng)過(guò)PMFC 順時(shí)針和逆時(shí)針相向傳播的光信號(hào)返回至MIOC發(fā)生干涉。干涉后的光信號(hào)經(jīng)過(guò)PMFS 耦合，最后傳輸?shù)絇IN-FET。PIN-FET內(nèi)部包含光電探測(cè)器等器件，可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

光纖環(huán)敏感軸向的角運(yùn)動(dòng)所引起相位差以模擬電信號(hào)的形式傳到信號(hào)處理電路板上。經(jīng)過(guò)交流耦合送到AMP＆FILTER電路模塊進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)低通濾波，過(guò)濾掉高頻段的干擾信號(hào)，留下主要成分為低頻的信號(hào)。為了便于高精度ADC電路處理，經(jīng)過(guò)AMP2 模塊將單端模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)。差分模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成經(jīng)過(guò)ADC模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送到FPGA中進(jìn)行解調(diào)、積分。處理后的數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)紻AC1 模塊中進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，再將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端信號(hào)并傳輸?shù)組IOC，使干涉儀始終工作在零相位，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋。閉環(huán)補(bǔ)償反饋后得到的相位誤差信號(hào)，一方面作為陀螺輸出；另一方面作為進(jìn)入反饋系統(tǒng)的信號(hào)，經(jīng)過(guò)二次積分產(chǎn)生階梯波再疊加后送入DAC1 中。在階梯波閉環(huán)反饋調(diào)制過(guò)程中，很容易產(chǎn)生2π 復(fù)位，因此增加了第二閉環(huán)反饋。復(fù)位前后產(chǎn)生的誤差信號(hào)，經(jīng)積分送到DAC2，并將轉(zhuǎn)換后的值加到DAC1 上面作為參考電壓，放大后傳輸?shù)組IOC，實(shí)現(xiàn)第二閉環(huán)反饋，從而實(shí)現(xiàn)2π復(fù)位。

經(jīng)過(guò)閉環(huán)反饋后的信號(hào)，由FPGA 按用戶(hù)協(xié)議處理為光纖陀螺閉環(huán)數(shù)據(jù)，通過(guò)串口UART 模塊輸出至計(jì)算機(jī)。上位計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行接收和保存后可計(jì)算光纖陀螺參數(shù)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置外觀(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

IFOG實(shí)驗(yàn)裝置包括裝置主體、旋轉(zhuǎn)臺(tái)體、轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)速控制盒和工作臺(tái)板。裝置主體有底盒、固定板、透明罩。工作臺(tái)板上分別設(shè)有旋轉(zhuǎn)臺(tái)體，與其同軸且內(nèi)外設(shè)置的旋轉(zhuǎn)軸和滑環(huán)，旋轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)臺(tái)體和滑環(huán)固定相連，旋轉(zhuǎn)臺(tái)體與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出端同軸固定相連，旋轉(zhuǎn)軸頂部從下到上依次同軸設(shè)有連接件、底盒組件和光纖陀螺組，底盒通過(guò)過(guò)渡板安裝在旋轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面［1］。底盒盒體內(nèi)分別設(shè)有電源配適電路板、信號(hào)處理電路板和光源驅(qū)動(dòng)與溫控電路板，盒體中心設(shè)有與滑環(huán)同軸設(shè)置，用于引入滑環(huán)導(dǎo)線(xiàn)的通孔。光纖陀螺組件的固定板沿周向分別均布有SLD、PMFS、PINFET、MIOC、PMFC，固定板頂部中心設(shè)有凸臺(tái)，凸臺(tái)頂部設(shè)有與旋轉(zhuǎn)軸同軸設(shè)置的帶骨架光纖環(huán)。透明罩起防塵、保護(hù)作用。電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)電動(dòng)機(jī)朝向左手，控制端口接線(xiàn)就近引入底板內(nèi)槽，連接至轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)速控制盒?；h(huán)定子端導(dǎo)線(xiàn)就近引入底板內(nèi)槽，連接至轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)速控制盒。為避免電磁干擾，旋轉(zhuǎn)臺(tái)控制線(xiàn)與滑環(huán)定子端導(dǎo)線(xiàn)不共槽。轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)速控制盒底座、轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)速控制盒上蓋和旋轉(zhuǎn)臺(tái)體安裝在工作臺(tái)板上，并在工作臺(tái)板上加工6 個(gè)安裝孔，其孔距是50 mm 的倍數(shù)，便于安裝在其他光學(xué)平板上。裝置主體、旋轉(zhuǎn)臺(tái)體、轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)速控制盒之間所有電線(xiàn)連接均布設(shè)為暗線(xiàn)。圖2 為實(shí)驗(yàn)裝置外觀(guān)結(jié)構(gòu)圖。

2.2 光路設(shè)計(jì)

（1）光路工作原理。IFOG 能測(cè)量角運(yùn)動(dòng)是基于Sagnac效應(yīng)［8-9］，即在含有光纖環(huán)組成的閉合回路中，從其中一點(diǎn)開(kāi)始相向傳播的兩束光波，繞行光纖環(huán)一圈回到該點(diǎn)時(shí)，兩束光相位發(fā)生相應(yīng)變化，運(yùn)載體旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，Sagnac相移使光波干涉條紋產(chǎn)生微小移動(dòng)，相向傳播的光經(jīng)過(guò)的路程不等，產(chǎn)生的光程差與AVR成正比，AVR從而能由光程差求得。圖3 是IFOG 光路基本原理圖。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置外觀(guān)結(jié)構(gòu)圖

圖3 FOG光路基本原理圖

對(duì)于圖3 的光路結(jié)構(gòu)，IFOG固有響應(yīng)是一個(gè)余弦函數(shù)，光檢測(cè)器檢測(cè)到的光信號(hào)強(qiáng)度與輸入光強(qiáng)、輸入角速度引起的相位差的關(guān)系為

在AVR很小的情況下，F(xiàn)OG 輸出的靈敏度很差，為了獲得做大的靈敏度，需對(duì)其0.5π 的相位偏置，這樣可以分別出傳播的角速度方向，也可以在零輸入點(diǎn)附近測(cè)得最大的靈敏度［10］。測(cè)得的角速度信息由相應(yīng)電路檢測(cè)和處理，

（2）光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。根據(jù)光纖陀螺實(shí)驗(yàn)裝置的應(yīng)用背景和教學(xué)實(shí)際需求，綜合考慮裝置實(shí)驗(yàn)效果、體積、成本、加工難度等多因素的影響，選取了以典型最小互易性結(jié)構(gòu)為光路基本結(jié)構(gòu)，對(duì)SLD、PMFS、MIOC、PMFC、PIN-FET等光學(xué)器件的選擇和布設(shè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。SLD是用于提供產(chǎn)生干涉信號(hào)的超帶寬光源，并將光信號(hào)輸入到光路結(jié)構(gòu)中，光源采用1.31 μm 工作波長(zhǎng)。PIN-FET 用于探測(cè)干涉光信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)入后續(xù)檢測(cè)電路進(jìn)行處理，本裝置采用400 kΩ高靈敏度PIN-FET。PMFS用于將光源的光信號(hào)引入MIOC和PMFC，再由MIOC返回的干涉信號(hào)引入PIN-FET。MIOC集成了傳統(tǒng)FOG結(jié)構(gòu)中的單模濾波器、偏振器、線(xiàn)圈分束器和相位調(diào)制器的功能，完成對(duì)輸入線(xiàn)圈光信號(hào)和線(xiàn)圈輸出的光信號(hào)處理。光纖環(huán)光纖長(zhǎng)度1 100 m，光纖環(huán)內(nèi)徑75 mm，光纖環(huán)高度15 mm。采用了直徑80 μm、外徑135 μm的熊貓型保偏光纖繞制，光纖環(huán)繞制廠(chǎng)家給出的100 s 定溫零偏穩(wěn)定性理論估計(jì)精度可達(dá)0.01°／h，足以滿(mǎn)足光纖陀螺實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中對(duì)地球自轉(zhuǎn)角速率觀(guān)測(cè)需要［11］。光路連接原理見(jiàn)圖4。

圖4 光路連接原理圖

實(shí)驗(yàn)裝置整個(gè)光路分為兩層平攤在主體底盒頂部。光纖環(huán)置于頂層，其敏感軸與底盒轉(zhuǎn)軸重合。

2.3 電路設(shè)計(jì)

電路部分主要包括信號(hào)處理電路板、光源驅(qū)動(dòng)與溫控電路板和電源配適電路板。上述部分均放置于圓形的主體底盒內(nèi)部。信號(hào)處理電路板是電路的主要部分，負(fù)責(zé)信號(hào)的處理、閉環(huán)反饋補(bǔ)償和最后的信號(hào)輸出。光源驅(qū)動(dòng)與溫控電路板通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)與超輻射發(fā)光管相連，用于精確控制超輻射發(fā)光管處于恒溫和恒流的工作狀態(tài)。電源配適電路板作為電源模塊為系統(tǒng)各部分工作提供電源。

（1）信號(hào)處理板原理設(shè)計(jì)。信號(hào)處理電路是實(shí)驗(yàn)裝置的核心部分，接收光路輸出信號(hào)后進(jìn)行處理輸出，以FPGA為處理核心，具有并行度高、可靈活定制和重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)［12］。信號(hào)處理電路板通過(guò)MAX3294 將FPGA串行接口轉(zhuǎn)換為RS-232 標(biāo)準(zhǔn)電平后與上位機(jī)進(jìn)行串行通信［13］。信號(hào)處理電路板上電源模塊將外部電源提供的5 V電壓轉(zhuǎn)換成一路3.3 V和一路1.2 V電壓模塊。另外，電源部分提供的5 V 電壓一路給數(shù)字信號(hào)電路供電；另一路給模擬信號(hào)電路供電。FPGA在裝置中的作用有：產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)、奇偶相減解調(diào)誤差信號(hào)、數(shù)字積分、數(shù)字濾波、陀螺信號(hào)輸出、產(chǎn)生相位階梯波并實(shí)現(xiàn)反饋、疊加方波偏置信號(hào)、修正2π電壓。

電路板中AMP＆FILTER 模塊包含交流耦合和低通濾波電路，選用ADA4857-2YCPZ-R7 放大集成電路實(shí)現(xiàn)。ADA4857 是一款單位增益穩(wěn)定的高速、電壓反饋型放大器，具有低失真、低噪聲與高壓擺率。在AMP＆FILTER模塊中，光電探測(cè)器輸入的信號(hào)通過(guò)隔直電容耦合，去掉了直流分量，再經(jīng)過(guò)濾波器阻隔高頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)低通濾波。AMP2 模塊選用了ADA4932-1YCPZ-R2 單端轉(zhuǎn)差分放大集成電路。在陀螺信號(hào)處理過(guò)程中，需要差分信號(hào)以獲得較高的信噪比，提高對(duì)共模噪聲的抑制能力，并獲得較低的二次諧波失真。ADA4932-1 具有高性能、低噪聲和低功耗，適合用作驅(qū)動(dòng)高性能ADC的單端轉(zhuǎn)差分放大器，其內(nèi)部共模反饋環(huán)路調(diào)整輸出共模電壓，使其輸出與ADC的輸入相匹配。內(nèi)部反饋環(huán)路可提供輸出平衡，抑制偶數(shù)階諧波失真。ADC選用AD9220ARS模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路實(shí)現(xiàn)［14］，產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)傳輸給FPGA。DAC1 和DAC2 分別選用LTC1668IG和LTC1658CMS8 數(shù)模轉(zhuǎn)換集成電路。FPGA 產(chǎn)生的數(shù)字相位階梯波，送入產(chǎn)生LTC1668IG產(chǎn)生模擬信號(hào)。LTC1658CMS8 是一個(gè)單電源的14 位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，為L(zhǎng)TC1668IG 提供基準(zhǔn)電壓。DRIVER 模塊中，選用LT1809IS8 差分轉(zhuǎn)單端集成電路實(shí)現(xiàn)。LT1809IS8 是低失真、軌至軌輸入和輸出運(yùn)算放大器，可將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)作用在MIOC的電極上。

信號(hào)處理電路板上經(jīng)光接收組件輸出的信號(hào)、經(jīng)AMP＆FILTER模塊耦合濾波后的信號(hào)、經(jīng)差分轉(zhuǎn)單端信號(hào)模塊雙端信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端后的開(kāi)環(huán)檢測(cè)信號(hào)等關(guān)鍵信號(hào)通過(guò)滑環(huán)從轉(zhuǎn)臺(tái)引出，供學(xué)生測(cè)量使用。

（2）光源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及仿真。光源驅(qū)動(dòng)需要恒流源按程序控制提供穩(wěn)定的工作電流。光源驅(qū)動(dòng)電流范圍為0.1 ～1.0 A。選用一種分立式電流源電路實(shí)現(xiàn)。恒流源電路設(shè)計(jì)中增加了一個(gè)延遲電路，可以用來(lái)延遲上電。為了優(yōu)化電路參數(shù)，測(cè)試恒流源延遲電路的性能，應(yīng)用multisin12 軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真電路及模擬結(jié)果見(jiàn)圖5。圖中：Q1為三極管，Q2為場(chǎng)效應(yīng)管，分別接5 V和2.5 V電源。XFG 為函數(shù)生成器，其產(chǎn)生的控制電壓經(jīng)R1、R3分壓后加到Q1。當(dāng)電源上電時(shí)，C1開(kāi)始充電，此時(shí)Q2閾值電壓尚未達(dá)到，所以Q2為關(guān)閉狀態(tài)。等到C1逐漸充電完成，此時(shí)滿(mǎn)足閾值電壓，Q2開(kāi)啟，后級(jí)電路通電。R2的作用是下電時(shí)對(duì)于電容進(jìn)行放電以及設(shè)置Q2的G極電壓。由于場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)啟和關(guān)斷受控，所以選用三極管更合適負(fù)載控制及延遲上電。XSC 為虛擬示波器，用來(lái)觀(guān)察輸出信號(hào)。

調(diào)節(jié)函數(shù)生成器，使其產(chǎn)生鋸齒波，調(diào)制信號(hào)頻率設(shè)置為500 mHz，占空比為50%，振幅為2.5Up，offset設(shè)置為3 V。用示波器觀(guān)察輸出信號(hào)波形，圖5 中右側(cè)紅色、綠色曲線(xiàn)代表示波器的輸出信號(hào)波形，分別與左側(cè)相應(yīng)顏色的電路線(xiàn)具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。在模擬結(jié)果中，延遲處理后的紅色曲線(xiàn)上升觸發(fā)時(shí)間點(diǎn)比延遲處理前的綠色曲線(xiàn)晚了約140 ms。結(jié)果表明，此電路能達(dá)到了延遲效果。

圖5 恒流源延遲電路仿真圖及模擬結(jié)果圖

（3）信號(hào)預(yù)處理電路設(shè)計(jì)及仿真。信號(hào)預(yù)處理電路通過(guò)集成設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的交流耦合、信號(hào)放大、低通濾波、單端轉(zhuǎn)差分等功能。

為了優(yōu)化電路參數(shù)，測(cè)試預(yù)處理電路的性能，同樣應(yīng)用multisin12 軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，信號(hào)預(yù)處理電路仿真及模擬結(jié)果見(jiàn)圖6。光接收組件輸出電信號(hào)給預(yù)處理電路，在仿真中用函數(shù)生成器XFG模擬此電信號(hào)。放大器U1A及周邊電路可以實(shí)現(xiàn)同相交流耦合和2 倍信號(hào)放大，放大器U1B及周邊電路可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)低通濾波，放大器U2及周邊電路可以實(shí)現(xiàn)單端轉(zhuǎn)差分。處理后得到的差分信號(hào)，再傳給ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后輸出至FPGA。圖中XBP 為頻率特征測(cè)試儀，XSC為虛擬示波器，用來(lái)觀(guān)察輸出信號(hào)。

調(diào)節(jié)函數(shù)生成器，使其產(chǎn)生鋸齒波，調(diào)制信號(hào)頻率設(shè)置為100 kHz，占空比為50%，振幅為50Up，offset設(shè)置為0 V。頻率特征測(cè)試儀通過(guò)掃描鋸齒波實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制，顯示屏上所“描繪”的曲線(xiàn)反映了被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性。頻率特征測(cè)試儀設(shè)置數(shù)值如圖6 所示。分別用3 個(gè)示波器觀(guān)察電路中關(guān)鍵信號(hào)波形。在模擬結(jié)果中，XSC1 中紅色鋸齒波為函數(shù)生成器輸入波形，綠色鋸齒波為經(jīng)過(guò)耦合放大后的波形，處理后頻率不變幅值變大。XSC2 中的紅色鋸齒波是經(jīng)過(guò)低通濾波后的波形，過(guò)濾掉了XSC1 中綠色高頻曲線(xiàn)，保留了紅色低頻曲線(xiàn)。XSC3 中的藍(lán)色鋸齒波是經(jīng)過(guò)單端轉(zhuǎn)差分后的其中一端的波形，與處理前的單端信號(hào)幅值大小相 等。以上結(jié)果表明，此預(yù)處理電路可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。

圖6 信號(hào)預(yù)處理電路仿真圖及模擬結(jié)果圖

2.4 轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)速控制

本裝置設(shè)置有與陀螺儀同軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)體，旋轉(zhuǎn)臺(tái)體由轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)速控制盒控制。轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)速控制盒結(jié)構(gòu)包括底座和上蓋，底座上設(shè)有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器模塊、驅(qū)動(dòng)電源模塊和接口控制電路模塊，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器模塊的控制端與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)臺(tái)體相連。轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)速控制盒上蓋正面的面板上設(shè)有顯示屏、旋鈕和開(kāi)關(guān)，背面設(shè)有DB9 插座和三合一開(kāi)關(guān)。

轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)速控制盒內(nèi)單片機(jī)選用STC15W4K56S4。該單片機(jī)兼容51 內(nèi)核，相比其他單片機(jī)具有擴(kuò)大片內(nèi)資源的優(yōu)點(diǎn)?？赏ú僮鬓D(zhuǎn)臺(tái)調(diào)速控制盒面板、旋鈕和開(kāi)關(guān)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（森創(chuàng)SD-20403）的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制旋轉(zhuǎn)臺(tái)體的目的，同時(shí)將轉(zhuǎn)速顯示在顯示屏上。圖7 為轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)速控制盒原理示意圖。

圖7 轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)速控制盒原理示意圖

3 軟件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置軟件主要分為信號(hào)處理程序和轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)速控制盒程序兩部分。

信號(hào)處理程序是本裝置軟件部分設(shè)計(jì)核心，采用了0.5π相位方波偏置調(diào)制和階梯波反饋調(diào)制方法。檢測(cè)電路將電信號(hào)濾波、放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，在FPGA中完成奇偶相間數(shù)字解調(diào)，經(jīng)過(guò)累加、求平均、求差值等運(yùn)算獲得相位誤差信號(hào)。相位誤差信號(hào)數(shù)字積分得到速率值，保存在速率寄存器中。一路抽樣濾波，并采樣輸出至計(jì)算機(jī)；另一路作為閉環(huán)反饋的輸入信號(hào)繼續(xù)累加處理［15］。速率寄存器之后有兩次加法器。第1 次加法器的作用是數(shù)字累加出階梯波，階梯波的寬度即為光纖環(huán)渡越時(shí)間，臺(tái)階高度與旋轉(zhuǎn)引起的相位差大小相等，即位等于陀螺的輸出值。第2 次加法器的作用是通過(guò)階梯波與偏執(zhí)調(diào)制信號(hào)的累加，輸出關(guān)于渡越時(shí)間周期性的方波，抵消了原有差值而置零，達(dá)到負(fù)反饋補(bǔ)償?shù)男Ч?。調(diào)制后的信號(hào)作用于推挽式連接的MIOC，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋控制。圖8 為信號(hào)處理程序流程圖。

圖8 信號(hào)處理程序流程圖

轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)速控制盒程序采用模塊化編程設(shè)計(jì)，系統(tǒng)程序主程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化和子程序的調(diào)用。在主程序中，通過(guò)不斷查詢(xún)得到電位器設(shè)定速度值，并與當(dāng)前速度值相比較，如果超過(guò)差值閾值，就重新設(shè)置當(dāng)前速度值，同時(shí)刷新顯示內(nèi)容。定時(shí)器不斷產(chǎn)生定時(shí)中斷，根據(jù)人機(jī)交互情況更新?tīng)顟B(tài)，產(chǎn)生步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖，從而控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。顯示子程序用來(lái)完成狀態(tài)更新和顯示功能［15］。

4 實(shí)驗(yàn)操作案例

實(shí)驗(yàn)裝置可開(kāi)展光源輸出特性實(shí)驗(yàn)、光纖環(huán)特征頻率實(shí)驗(yàn)、Y波導(dǎo)相位調(diào)制半波電壓測(cè)試實(shí)驗(yàn)、光路信號(hào)輸出測(cè)試實(shí)驗(yàn)、陀螺儀靜態(tài)實(shí)驗(yàn)、陀螺儀手動(dòng)旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)、陀螺儀轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)、開(kāi)環(huán)數(shù)字輸出實(shí)驗(yàn)、閉環(huán)數(shù)字輸出實(shí)驗(yàn)等。

以陀螺儀轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)為例，該實(shí)驗(yàn)的目的是能讓學(xué)生理解陀螺儀中信號(hào)調(diào)制解調(diào)原理、信號(hào)檢測(cè)原理，更好地觀(guān)察Sagnac效應(yīng)。陀螺儀轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)具體操作步驟如下：

（1）連接教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的電源和相關(guān)電纜，打開(kāi)電源供電。

（2）信號(hào)處理電路板上各關(guān)鍵信號(hào)通過(guò)相應(yīng)串口與滑環(huán)相連，從轉(zhuǎn)臺(tái)引出，并連接到示波器。

（3）打開(kāi)計(jì)算機(jī)采集軟件，UART 模塊接口與計(jì)算機(jī)相連。

（4）通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)速控制盒設(shè)置轉(zhuǎn)臺(tái)。

（5）打開(kāi)并調(diào)節(jié)示波器，分別觀(guān)察不同轉(zhuǎn)速情況下的信號(hào)特征，記錄信號(hào)波形。

（6）啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，打開(kāi)數(shù)據(jù)采集軟件，分別采集不同轉(zhuǎn)速情況下光纖陀螺輸出的閉環(huán)數(shù)字信號(hào)。

（7）處理并計(jì)算實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（8）斷開(kāi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器的電源和相關(guān)電纜連接，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

通過(guò)設(shè)定轉(zhuǎn)臺(tái)為不同速度，用示波器測(cè)量滑環(huán)從各接口引出的關(guān)鍵信號(hào)，可得到數(shù)據(jù)處理各階段的信號(hào)特征，觀(guān)察信號(hào)波形特征，使學(xué)生加強(qiáng)對(duì)陀螺儀調(diào)制解調(diào)原理、開(kāi)環(huán)或閉環(huán)檢測(cè)原理的理解。通過(guò)計(jì)算機(jī)采集軟件測(cè)量和處理不同條件轉(zhuǎn)速下陀螺儀輸出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合裝置中給定的陀螺儀關(guān)鍵參數(shù)，從而計(jì)算出當(dāng)前實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)臺(tái)的即時(shí)旋轉(zhuǎn)速度。通過(guò)計(jì)算結(jié)果與陀螺儀轉(zhuǎn)臺(tái)顯示屏上的顯示轉(zhuǎn)速對(duì)比，在誤差范圍內(nèi)，兩者結(jié)果一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出：當(dāng)PMFC 的旋轉(zhuǎn)方向與光信號(hào)傳輸?shù)姆较蛞恢聲r(shí)，相對(duì)于靜止?fàn)顟B(tài)下的距離，該光信號(hào)傳輸?shù)木嚯x會(huì)相應(yīng)變大；反之，光信號(hào)傳輸?shù)木嚯x會(huì)相應(yīng)縮短，加深學(xué)生對(duì)光纖陀螺薩格奈克效應(yīng)的理解。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文研制的同軸旋轉(zhuǎn)干涉式光纖陀螺教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置采用光路最小互易性結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可在教學(xué)中方便靈活開(kāi)展光源輸出特性實(shí)驗(yàn)、光纖環(huán)特征頻率實(shí)驗(yàn)、Y波導(dǎo)相位調(diào)制半波電壓測(cè)試實(shí)驗(yàn)、光路信號(hào)輸出測(cè)試實(shí)驗(yàn)、陀螺儀靜態(tài)實(shí)驗(yàn)、陀螺儀手動(dòng)旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)、陀螺儀轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)、開(kāi)環(huán)數(shù)字輸出實(shí)驗(yàn)、閉環(huán)數(shù)字輸出實(shí)驗(yàn)等。介紹同軸干涉式光纖陀螺實(shí)驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)、硬件及軟件設(shè)計(jì)方法，給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖、部分硬件接口電路圖和相關(guān)程序流程圖。實(shí)際使用表明，可直觀(guān)實(shí)現(xiàn)光纖陀螺結(jié)構(gòu)展示和物理原理驗(yàn)證，加深學(xué)生對(duì)光纖陀螺薩格奈克效應(yīng)的理解，了解掌握光纖陀螺組成和軟硬件設(shè)計(jì)，對(duì)本科相關(guān)專(zhuān)業(yè)慣性傳感器理論教學(xué)具有重要促進(jìn)作用。