光纤陀螺捷联惯导系统硬件设计

丛明宇，鹿欢，吴昊翔

（中航工业洪都，江西南昌330024）

光纤陀螺捷联惯导系统硬件设计

丛明宇，鹿欢，吴昊翔

（中航工业洪都，江西南昌330024）

主要研究了捷联惯导的电源电路、信号采集电路和通讯电路的设计，通过分析捷联惯导系统、光纤陀螺和挠性加速度计的特点，确定了光纤陀螺捷联惯导的硬件电路方案。

光纤陀螺；捷联惯导；信号采集

0 引言

光纤陀螺是一种固态陀螺，相比传统机械式陀螺，受到力学环境的影响很小，而且光纤陀螺具有精度较高、体积较小、动态测量范围大、启动时间快等特点，广泛应用于航空航天航海等领域。由于捷联惯导系统是一种无物理平台的惯性导航系统，减少了硬件结构，将惯性器件直接固连在载体上，可使体积和成本都大幅降低，但同时也带来力学环境恶劣、各种干扰很严重等缺点，故对惯性器件和电子线路的要求较高。本文以光纤陀螺和石英挠性加速度计为惯性元件，加上相应的电子线路，设计了光纤陀螺捷联惯导系统。因捷联惯导需处理的数据量与力学编排解算计算量均较大，而导航系统对实时性的要求很高，因此，采用TI公司的高性能DSP芯片TMS320C6713作为导航计算机，用高精度模数转换器AD7716将模拟信号转换成数字信号，以满足捷联惯导系统的要求。

1 捷联惯导的基本工作原理

捷联惯导系统基本的工作原理如图1所示，根据牛顿提出的惯性空间的力学定律，利用加速度计、陀螺仪等惯性测量元件感受载体在运动过程中相对于惯性空间的加速度和角速度，而后从中提取运动载体相对某一选定的导航坐标系（计算机存储的“数学平台”）的加速度信息；通过一次积分运算（载体初速度已知）便得到载体相对导航坐标系的即时速度信息；再通过一次积分运算（载体初始位置已知）得到载体相对于导航坐标系的即时位置信息，并实施导航任务[1,2]。

2 光纤陀螺捷联惯导系统的组成

光纤捷联惯导系统主要由三个光纤陀螺、三个加速度计以及硬件电路组成。

图1 捷联惯导基本原理框图

陀螺和加速度的功能主要是敏感载体的姿态运动和位置运动。

硬件电路的主要实现的功能有对陀螺和加速度信号的采集和处理、捷联导航算法的解算、对温度等信号的采集以及与上位机的通讯等。按照上述功能可以分为：

1）信号采集处理模块主要对捷联惯导系统中的模拟信号进行采集包括陀螺和加速度输出信号、温度信号等；

2）计算模块主要对陀螺和加速度信号进行补偿，完成导航解算；

3）通讯模块主要是与上位机通讯，以及和载体的其他系统的通讯；

4）电源模块陀螺和加速度计所需精度较高，需要一个稳定的供电电源。

3 系统硬件实现[3-7]

3.1 电源电路

惯导中的电源主要由电源滤波器和电源转换器组成。标称电压为28V，但是实际上电源母线上给定的电压有波动，为此，采用DC/DC变换器进行电压转。为了克服电压波动以及电源中断产生的巨大冲击电流，在电源输入端加入瞬态抑制二极管，限制浪涌电流，对系统起到保护作用。电源滤波器将抑制电源线上的传导干扰，同时，也能抑制系统内部噪声对外部信号的干扰，在系统的电磁兼容设计中极其重要。电源滤波器电路见图2。

DSP芯片的外围I/O口电压为3.3V，内核电压为+1.2V，采用稳压电源模块LT1764转换出恒定的3.3V和1.2V。DC/DC模块转换出+5V电源为其他芯片和器件提供工作电压。DSP电源电路见图3。

图2 电源滤波器电路

图3 DSP电源电路

3.2 信号采集电路

捷联惯导系统对惯性器件的精度和信号的实时性要求很高。信号的采样频率体现了系统的实时性，其频率由模拟信号带宽、数据通道数和每个周期的采样数决定，由奈奎斯特采样定理可知，在每个数据带宽周期内，至少要对信号采样两次。捷联惯导系统的精度取决于惯性器件的信号精度，并考虑量化误差、噪声以及温漂等因素，采用22位的模数转换芯片AD7716。AD7716具有动态范围宽、高分辨率、低噪声、低功耗，以及数字滤波功能等特点，每片具有4个通道A/D，用两片AD7716即可满足信号采集的要求。

在本文中，信号输出形式为模拟式的光纤陀螺，石英挠性加速度计的输出是电流输出，先使用精密电阻将电流转换成电压，再通过运算放大器将陀螺和加速度计的输出信号电压转换在±2.5V范围，供AD芯片采集。

AD7716芯片工作电压为5V，其内部参考电压为+2.5V，该电压的稳定性直接影响数字读出的精度，采用高精度电压基准芯片ADR4525输出参考电压。AD7716的控制寄存器有16位，分为高8位和低8位，其中A3位置1，A2、A1、A0是地址位，在M0为0的情况下，通过接入相应的高低电平来设置地址值，以区分多片芯片，通过设置FC2、FC1、FC0的值可以决定滤波的截止频率，其它位在实际中没有很重要的意义。AD7716有主从两种工作模式，文中选用从工作模式，需要在MODE管脚接入高电平。同时两片A/D芯片级联，要将第一块芯片的CASCOUT引脚接到第二块芯片的CASCIN引脚，当第一块芯片的数据转换读取完成之后，其CASCOUT可以发送一个脉冲给下块芯片，该芯片可以启动转换。

DSP上电复位后，给AD7716一个复位信号，AD7716开始启动，通过CLKIN线给AD7716提供一个采样时钟，再通过TFS口提供一个下降沿将其线拉成电平，同时，通过SCLK线提供串口时钟，在每个SCLK的下降沿将控制字由SDATA线送入AD7716的控制寄存器。控制字写完后把TFS再拉回高电平，同时，又通过DSP内部程序模块启动AD信号接收，把RFS拉成低电平，这样，DSP会在DRDY低电平期间，在SCLK的上升沿通过SDATA线接受转换结果。当第一片芯片传送完转换结果后，再通过CASCOUT发送一个脉冲给第二片芯片CASCIN，第二片芯片向DSP传送转换结果。两片AD7716级联以及基本原理图如图4所示。

图4 AD7716级联工作电路

惯性器件的输出数据存在漂移和野值，在DSP中需要对其进行处理，对漂移进行补偿，野值进行分析去除，以提高惯导系统的精度。在惯导中，安装误差以及电子线路带来的影响也需要在DSP中进行处理，通过标定和误差补偿，来提高惯性器件的输出信号精度。

3.3 通讯电路

通讯模块主要是与上位机通讯，采用为异步串行通讯的RS232接口，通讯芯片为MAX232。通过与DSP的MCBSP口连接实现全双工异步串行通讯。

MAX232具有一个SPI接口以及一个RS-232标准的异步收发器，所以只要通过软件设置TMS320C6713的MCBSP工作在SPI模式，便可通过MAX232在它与PC机之间建立一个通信的桥梁，实现串行数据传输。

通过EDMA可以对MCBSP进行读写操作，以完成数据的发送和接收.数据接收寄存器(DRR)及数据发送寄存器(DXR)是可以被寻址的，从DRR中读取接收到的数据，向DXR中写入待发送的数据。再将数据通过发送移位寄存器(XSR)移出到DX脚；在DR脚接收到的数据被移人到接收移位寄存器(RSR)，然后被装入接收缓冲寄存器(RBR)，RBR再将数据装入DRR。如图5所示。

图5 通讯电路

4 结语

光纤陀螺以其优异的性能在军民领域中运用越来越广，尤其适合在捷联惯导系统中使用。本文通过对光纤陀螺捷联惯导的工作原理以及其系统组成分析，针对系统的特点，采用了DSP+AD的方案，对光纤陀螺捷联惯导系统的硬件电路进行了设计。

[1]秦永元.惯性导航.北京：北京科学出版社. 2009.

[2]Lee J G,Park C G,Park H W.Multiposition alignment of strapdowninertialnavigationsystem. IEEETransactionsonAerospaceandElectronic Systems.1993.

[3]孔庆鹏,高爽,林铁,焦禹舜,王妍.低成本轻小型光纤陀螺惯性测量单元设计与实现[J].导航与控制,2013,12(2)：33-36,6.

[4]杨金显,袁赣南,徐良臣.MIMU系统设计研究[J].弹箭与制导学报,2007,27(3)：47-49.

[5]陈淑英,余建光.纤陀螺测斜仪用加速度计数据采集系统[J].导航与控制,2012,11(4)：64-66,63.

[6]王天伟，史震，王静TMS320C6713与PC机串行通信的几种方法[J].应用科技,2008,35(7)：15-19

[7]杨枭.光纤陀螺捷联导航数据处理系统软硬件设计与实现[D].哈尔滨工程大学硕士学位论文, 2007.

>>>作者简介

丛明宇，男，1983年9月出生，2007年毕业于哈尔滨工程大学，工程师，现从事飞行器设计工作。

Hardware Design of Fiber-optic Gyro Strapdown Inertial Navigation System

Cong Mingyu,Lu Huan,Wu Haoxiang
(AVIC Hongdu Aviation Industry Group,Nanchang,Jiangxi,330024)

This paper mainly studies the design of power circuit,signal acquisition and communication circuits of strapdown inertial navigation,with analysis on features of strapdown inertial navigation system,fiber-optic gyro and flexure accelerometer,the plan for hardware circuit of fiber-optic gyro strapdown inertial navigation has been determined.

fiber-optic gyro;strapdown inertial navigation;signal acquisition

2015-12-26）