(中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院,太原 030051)
隨著慣性導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)的飛速發(fā)展,人們對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)高精度精準(zhǔn)定位提出了越來(lái)越高的要求[1]。傳統(tǒng)加速度計(jì)受溫度影響大,抗干擾能力差,精度低;為了提高定位的精確度,系統(tǒng)采用石英撓性加速度計(jì),該加速度計(jì)具有高精度,抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn),是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和指導(dǎo)系統(tǒng)中不可缺少的關(guān)鍵器件之一。在尋北儀導(dǎo)航系統(tǒng)中,為了提高對(duì)加速度計(jì)采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換精度,系統(tǒng)采用A/D轉(zhuǎn)換與I/F轉(zhuǎn)換兩種電路分別對(duì)加速度計(jì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。I/F轉(zhuǎn)換技術(shù)是將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),然后將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào),該技術(shù)的特點(diǎn)是:轉(zhuǎn)換范圍大,轉(zhuǎn)換精度高,受溫度影響小,適用于中、高精度慣導(dǎo)系統(tǒng);A/D采集系統(tǒng)與I/F采集系統(tǒng)相比,它的功耗低,電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。兩種系統(tǒng)將各自采集的加速度數(shù)據(jù)送至FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、編幀,最后通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行顯示比較兩種系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換精度、穩(wěn)定性。
系統(tǒng)硬件部分主要由FPGA芯片XC7Z020主控、2路石英撓性加速度計(jì)信號(hào)、A/D信號(hào)調(diào)理電路、A/D驅(qū)動(dòng)模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、I/F轉(zhuǎn)換電路、V/F轉(zhuǎn)換模塊等模塊組成。軟件部分主要由A/D控制模塊、I/F處理模塊、FIFO模塊、編幀模塊、串口發(fā)送模塊組成。石英撓性加速度計(jì)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路以及I/V轉(zhuǎn)換電路,將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),用于A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換以及V/F轉(zhuǎn)換所需的電壓信號(hào);系統(tǒng)采用外部電源機(jī)給石英撓性加速度計(jì)提供+15 V,-15 V以及-5 V電源,采用電腦給系統(tǒng)板提供5 V電源,通過(guò)穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3、REF5025、REF3012將5 V轉(zhuǎn)換成3.3 V、2.5 V、1.25 V直流電源,負(fù)責(zé)給所需模塊供電。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)總體框圖
系統(tǒng)采用石英撓性加速度計(jì)采集的數(shù)據(jù),需要高精度的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集處理,而高精度A/D轉(zhuǎn)換器完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換需要穩(wěn)定的參考電壓源[2]。設(shè)計(jì)采用高精度穩(wěn)壓源REF3012來(lái)生成A/D參考電壓源,REF5025的電壓精度達(dá)到0.05%,溫度漂移最低達(dá)到3 ppm/ ℃;REF5025的電壓精度達(dá)到0.05%,溫度漂移最低達(dá)到3 ppm/ ℃。系統(tǒng)通過(guò)REF5025將外部電源5 V轉(zhuǎn)換成2.5 V,作為AD7693最理想的參考電壓基準(zhǔn)源。A/D參考電壓源如圖2所示。
圖2 A/D參考電壓源
石英撓性加速度計(jì)輸出的信號(hào)是電流信號(hào),為了滿足A/D轉(zhuǎn)換要求,需要將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。由于加速度計(jì)輸出的電流信號(hào)在-5 mA~+5 mA之間進(jìn)行變化,而AD7693的參考電壓為2.5 V,為了滿足A/D采集的信號(hào)在0~5 V之間變化,系統(tǒng)采用OPA4340運(yùn)算放大器進(jìn)行調(diào)理,將加速度計(jì)的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),并將轉(zhuǎn)換后的電壓進(jìn)行1.25 V的零位偏置,從而得到輸入的電壓范圍為0~2.5 V。OPA4340主要完成電壓跟隨器的功能,該功能具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點(diǎn),在OPA4340的輸出端設(shè)置一個(gè)低通濾波器,該截止頻率為15 KHz,為了濾除高頻信號(hào)對(duì)加速度計(jì)信號(hào)的干擾。信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。
圖3 信號(hào)調(diào)理電路
為了提高AD7693的轉(zhuǎn)換精度,系統(tǒng)采用ADA4941-1完成輸入電壓的驅(qū)動(dòng)功能[3]。將該驅(qū)動(dòng)電路的額差分輸出電壓輸出到AD7693的差分輸入端。加速度計(jì)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路輸出的電壓范圍為0~2.5 V,經(jīng)過(guò)ADA4941-1的第8引腳將加速度計(jì)信號(hào)輸入到A/D驅(qū)動(dòng)電路中,由圖得, ADA4941-1的第4引腳OUT+為Vop,第5引腳OUT-為Von。施加到REF引腳不影響OUT+引腳上的電壓。因此,輸出之間可能存在所需的輸出共模電壓。當(dāng)計(jì)算輸出電壓時(shí),必須同時(shí)考慮差分和共模輸出電壓來(lái)避免不可預(yù)想的差分偏移[4]。
(1)
(2)
則ADA4941-1的差分輸出電壓為:
(3)
由此可見(jiàn)A/D驅(qū)動(dòng)電路的差分輸出電壓與加速度計(jì)輸出信號(hào)之間的關(guān)系。A/D驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。
圖4 A/D驅(qū)動(dòng)電路
系統(tǒng)采用AD7693作為A/D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心控制器件,該器件是16位、電荷再分配、差分輸入、逐次逼近型的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器件[5],該器件是與ADA4941-1驅(qū)動(dòng)芯片配合使用,該系統(tǒng)的A/D采樣頻率為300 kHz。設(shè)計(jì)中,AD7693的VDD端接5 V電源,VIO端接3.3 V,REF端接2.5 V,IN+和IN-兩端分別接ADA4941-1的OUT+和OUT-端,從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)差分輸入,SDI、SCK、SDO、CNV分別與FPGA的引腳相連,在整個(gè)采樣轉(zhuǎn)換期間,SDI端一直處于高電平,SCK端由FPGA提供10 MHz的時(shí)鐘信號(hào),AD7693采樣與否取決于CNV端,當(dāng)CNV端處于高電平時(shí),該器件對(duì)IN+和IN-端引腳之間的電壓差進(jìn)行采樣,兩引腳之間的電壓差在0到VREF之間變化[6]。采樣的值在0~2*VREF變換,A/D轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。
圖5 A/D轉(zhuǎn)換電路
由于加速度計(jì)輸出的是電流信號(hào),為了得到所需的頻率信號(hào),需要將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)[7]。系統(tǒng)采用LF356運(yùn)算放大器,在LF356的VIN-端接加速度計(jì)電流信號(hào)以及-5 V電源,然后將VIN-端和OUTPUT端連接,VIN+端接地。
(4)
由此設(shè)計(jì)出反向加法電路,當(dāng)RF和RE都為1 K時(shí),VOUT=5-I×1 000,由于加速度計(jì)輸出的電流信號(hào)為-5~5 mA,所以VOUT的變化范圍為0~10 V。I/V轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。
圖6 I/V轉(zhuǎn)換電路
系統(tǒng)采用LM331將LF356輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成FPGA能夠監(jiān)測(cè)的周期脈沖信號(hào),VS電源端接15 V,參考電壓源接0 V,THRESH和IOUT端接下拉電阻,F(xiàn)OUT端接3.3 V的上拉電阻,該器件溫度漂移最大達(dá)到50 ppm/ ℃,輸出頻率最大范圍為1 Hz~100 KHz[8]。V/F轉(zhuǎn)換電路如圖7所示。
由圖可得,
(5)
FOUT的變化范圍在1 Hz~70 kHz。
圖7 V/F轉(zhuǎn)換電路
FPGA將加速度計(jì)采集的信號(hào)通過(guò)RS232串口發(fā)送至上位機(jī),從而比較A/D采集系統(tǒng)與I/F采集系統(tǒng)的優(yōu)劣。RS232采用負(fù)邏輯進(jìn)行傳送數(shù)據(jù),規(guī)定邏輯“1”的電平為-5 V~-15 V,邏輯“0”的電平為+5 V~+15 V。選用該電氣標(biāo)準(zhǔn)的目的在于提高抗干擾能力,增大通信距離[9]。系統(tǒng)采用MAX232作為傳輸芯片,芯片的第7引腳T2OUT與DB9的第2引腳RX端相連,芯片的第8引腳R2IN端與DB9的第3引腳TX端相連,從而完成FPGA與上位機(jī)的串口通信。串口發(fā)送電路如圖8所示。
圖8 串口發(fā)送電路
FPGA程序是在Vivado中通過(guò)Verilog語(yǔ)言編寫(xiě)完成的[10]。采用A/D控制模塊以及I/F處理模塊分別同時(shí)對(duì)兩路加速度計(jì)信號(hào)進(jìn)行采樣,然后將處理的數(shù)據(jù)有序存儲(chǔ)在FIFO模塊中,等FIFO模塊存儲(chǔ)的數(shù)量滿足一定條件時(shí),將FIFO模塊中的數(shù)據(jù)有序讀到編幀模塊中,通過(guò)編幀模塊,從而區(qū)分加速度計(jì)1信號(hào)與加速度計(jì)2信號(hào),最后,將編幀好的數(shù)據(jù)通過(guò)RS232串口發(fā)送到上位機(jī)。
系統(tǒng)中A/D控制模塊采用狀態(tài)機(jī)進(jìn)行時(shí)序控制,狀態(tài)機(jī)分為4個(gè)狀態(tài),分別為空閑狀態(tài)、A/D轉(zhuǎn)換狀態(tài)、數(shù)據(jù)獲取狀態(tài)、數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)4個(gè)狀態(tài)[11]。A/D的采樣速率為300 kHz,采樣時(shí)鐘頻率是由系統(tǒng)時(shí)鐘頻率50 MHz通過(guò)5分頻得來(lái)的。A/D在空閑狀態(tài)時(shí),分別讓AD7693芯片CNV端的信號(hào)拉低,讓SDI端置成高電平,對(duì)轉(zhuǎn)換計(jì)數(shù)的寄存器置零,對(duì)獲取A/D數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的寄存器置零;在A/D轉(zhuǎn)換狀態(tài),將CNV端置高,并對(duì)CNV端所處高電平的時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù),當(dāng)高電平所處時(shí)間達(dá)到3 μs時(shí),將CNV端拉低,并將狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)獲取狀態(tài);在數(shù)據(jù)獲取狀態(tài),獲取A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘周期為20 ns,通過(guò)SDO端將A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到FPGA的臨時(shí)存儲(chǔ)器中,等16位數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)到臨時(shí)存儲(chǔ)器中時(shí),狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)輸出狀態(tài);在數(shù)據(jù)輸出狀態(tài),將臨時(shí)存數(shù)器存儲(chǔ)的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸入到FIFO控制模塊中,從而供FIFO控制模塊對(duì)其進(jìn)行編幀處理。A/D轉(zhuǎn)換控制模塊流程圖如圖9所示。
圖9 A/D轉(zhuǎn)換控制模塊流程圖
由于I/F模塊輸出的頻率范圍是1 Hz~70 kHz,系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率為50 MHz,可以滿足對(duì)I/F模塊輸出的頻率進(jìn)行采樣。
圖10 等精度測(cè)量仿真圖
等精度測(cè)頻系統(tǒng)的RTL圖如圖11所示。先初始化,基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)clk_fx的頻率為50 MHz,基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)計(jì)數(shù)器Fx_cnt為0,門控信號(hào)GATE為0,被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)器Fs_cnt為0。為了避免FPGA內(nèi)部觸發(fā)器發(fā)生亞穩(wěn)態(tài),需要對(duì)輸入的被測(cè)信號(hào)打兩拍,從而能使FPGA能夠精確的檢測(cè)到被測(cè)信號(hào)的上升沿,當(dāng)FPGA檢測(cè)到被測(cè)信號(hào)的上升沿時(shí),開(kāi)始使門控信號(hào)GATE使能,從而使基準(zhǔn)使能信號(hào)Fx_cnt_en和被測(cè)使能信號(hào)Fs_cnt_en使能,基準(zhǔn)信號(hào)計(jì)數(shù)器Fx_cnt與被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)器Fs_cnt開(kāi)始計(jì)數(shù),為了提高被測(cè)信號(hào)的精度,系統(tǒng)提高門控信號(hào)的使能時(shí)間,從而降低基準(zhǔn)信號(hào)對(duì)被測(cè)信號(hào)精度的影響[15]。當(dāng)門控使能信號(hào)達(dá)到一定時(shí)間時(shí),將門控使能信號(hào)GATE拉低,然后獲取基準(zhǔn)信號(hào)計(jì)數(shù)器Fx_cnt和被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)器Fs_cnt的計(jì)數(shù)值,從而根據(jù)公式:
圖11 等精度測(cè)頻系統(tǒng)的RTL圖
(6)
由此推出:
(7)
從而得出被測(cè)信號(hào)的頻率值,根據(jù)被測(cè)信號(hào)頻率的變化,以此來(lái)判斷加速度計(jì)的變化。
由于采集的數(shù)據(jù)是兩路加速度計(jì)的信號(hào),為了使加速度計(jì)輸出信號(hào)便于FPGA處理以及在串口調(diào)試助手后便于數(shù)據(jù)分析,需要將兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)編碼[16],從而能夠通過(guò)串口調(diào)試助手分析兩路加速度計(jì)的變化情況。2路數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表1所示。
表1 2路數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)采用的石英撓性加速度計(jì)的測(cè)量范圍在15 g,偏值小于5 mg,溫度系數(shù)小于30 μg/ ℃。采用離心機(jī)對(duì)兩個(gè)石英撓性加速度計(jì)在相同環(huán)境下進(jìn)行擺動(dòng)測(cè)試。表2為石英撓性加速度計(jì)A/D采集數(shù)據(jù),表3位石英撓性加速度計(jì)I/F采集數(shù)據(jù)。
表2 石英撓性加速度計(jì)A/D采集數(shù)據(jù)
表3 石英撓性加速度計(jì)I/F采集數(shù)據(jù)
由上述兩表可知,I/F采集系統(tǒng)和A/D采集系統(tǒng)在相同條件下,當(dāng)離心機(jī)使兩個(gè)撓性加速度計(jì)都處于-15 g的情況下,理論情況下,由兩者采集系統(tǒng)的理論公式可得,A/D采集系統(tǒng)采集的電壓為5 V, I/F采集系統(tǒng)輸出的頻率為70 kHz, 由表可知,實(shí)際情況下,A/D采集系統(tǒng)采集的電壓為4.935 V,I/F采集系統(tǒng)采集的頻率為69.996 kHz,可得轉(zhuǎn)換兩者的轉(zhuǎn)換精度分別為98.7%和99.99%;當(dāng)離心機(jī)是兩個(gè)撓性及速度計(jì)都處于10 g的情況下,理論情況下,由兩者采集系統(tǒng)的理論公式可得,A/D采集系統(tǒng)采集的電壓為1 V, I/F采集系統(tǒng)輸出的頻率為10 kHz, 由表可知,實(shí)際情況下,A/D采集系統(tǒng)采集的電壓為0.954 V,I/F采集系統(tǒng)采集的頻率為10.165 kHz,可得轉(zhuǎn)換兩者的轉(zhuǎn)換精度分別為95.4%和98.38%;并且I/F采集系統(tǒng)采集頻率的范圍是1 Hz~70 kHz, A/D采集系統(tǒng)采集的電壓范圍是0.001~5 V,所以I/F采集的數(shù)據(jù)變化范圍大,精度更高,靈敏度更好。
通過(guò)對(duì)石英撓性加速度計(jì)A/D采集系統(tǒng)和I/F采集系統(tǒng)的對(duì)比研究,分別從硬件模塊和軟件模塊兩方面對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行全面闡述。通過(guò)在串口調(diào)試助手上觀察數(shù)據(jù)變化,結(jié)果證明I/F采集系統(tǒng)占用資源少,采集數(shù)據(jù)靈敏度高,精度高,易用于尋北儀導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)試。