光纤陀螺通用并行测试系统设计

摘 要：光纤陀螺本身所固有的高精度、抗复杂环境等显著特点，广泛用于航海、海天、机器人等军民用姿态测量系统中。随着光纤陀螺的不断发展，光纤陀螺通讯速率越来越快，普通PC机的接收数据速率已无法满足光纤陀螺的测试，这很大程度影响了光纤陀螺研制工作的开展。本文提出一种基于FPGA的高效并行测试系统方案，利用FPGA高速计算的特点，结合收发器，将波特率为1M以上的陀螺数据，通过同步、组帧、发送的方式，转化为普通PC机能够接收的低波特率数据，且保证陀螺数据的完整性，解决光纤陀螺研制过程中的高速数据接收问题。

关键词：光纤陀螺;FPGA;测试

1、引言

光纤陀螺作为一种新型全固态惯性仪表，被广泛用于航海、航天、机器人和石油仪器等各类军民用姿态测量系统中。随着近几年技术的不断发展，光纤陀螺数据输出速率也随之增加，以前采用的陀螺测试系统已无法满足波特率较高的光纤陀螺的测试需求，因此光纤陀螺测试系统也需要提高数据采集、处理频率且对陀螺数据的丢帧错帧有一定的风险处理能力。

本文提出一种基于FPGA的高效并行测试系统方案，采用软硬件结合的方式，实现对多路陀螺的控制、通讯及数据采集。光纤陀螺通用测试系统主要有如下特点：1）可同时对4只陀螺进行测试，支持多种陀螺数据通讯波特率及格式，目前最高可达2Mbps;2）通过设置各项参数（陀螺编号、测试项目、测试时间等），可以完成各项性能测试;3）具有一定的数据判断能力，对于丢、错帧数据，直接舍弃，避免影响陀螺整体工作回路。

2、系统设计

光纤陀螺通用测试系统由硬件子系统与软件子系统构成，硬件子系统由晶振、接口电路、FPGA、电源电路等组成，是系统工作软件的载体，主要实现光纤陀螺测试中的各项硬件接口;软件子系统主要是指FPGA工作软件，包括时钟模块、指令发送模块、数据接收模块等，主要实现对光纤陀螺输出数据的采集、组帧、发送等功能。

3、具体实现

3.1 硬件子系统实现

硬件子系统是光纤陀螺通用测试系统的硬件载体，由晶振、接口电路、FPGA、电源电路等组成。其中晶振产生系统主时钟，作为系统工作软件的时钟参考;电源电路采用凌特公司的两款集成电路，实现从主电源（+5V）到两路数字电源（+3.3V、+1.5V）的转换，作为FPGA的供电电源;接口电路采用数字收发器及隔离器，实现光纤陀螺测试硬件接口，接收光纤陀螺输出数据;FPGA作为系统工作软件的载体，配合系统工作软件实现陀螺数据的同步、组帧、发送等功能。

3.2 软件子系统实现

软件子系统是指FPGA工作软件，由时钟模块、指令发送模块、数据接收模块、数据组帧及发送模块等组成，各模块功能及实现如下。

3.3时钟模块

时钟模块主要是产生数据采集时钟、指令发送时钟和数据发送时钟，分别作为接收数据、发送指令和发送数据的时钟基准。该模块先通过FPGA芯片内部的锁相环将晶振产生的时钟进行倍频，形成系统工作的主时钟CLK，再定义三个寄存器，分别通过位翻转判断的方式，形成数据采集时钟R_clk、指令发送时钟O_clk和数据发送时钟S_clk，作为数据接收模块、指令发送和数据组帧及发送模块的输入时钟。

3.4指令发送模块

指令发送模块主要是产生陀螺触发指令，作为外触发模式光纤陀螺的发数信号。该模块先定义一个字节的数组，将陀螺触发指令存入该数组，然后通过移位寄存器将该数组的内容发出，形成陀螺发数信号。该模块只针对于外触发模式光纤陀螺的测试，对于自触发模式的光纤陀螺可以屏蔽，不予使用。

3.5数据接收模块

数据接收模块主要是接收陀螺输出数据。利用时钟模块产生的数据采集时钟，对陀螺输出数据采取“八判七”的方式，进行数据收集，并利用校验位对数据的真实性进行判断，对于错帧数据舍弃处理，同时置位错帧标志寄存器，上位机根据错帧标志寄存器决定是否停止测试，方便研发人员进行问题定位。

3.6数据组帧及发送模块

数据组帧及发送模块是将接收的陀螺输出数据，按照上位机采集数据的格式，进行组帧，形成起始位、停止位、校验位和校验字节，同时将时钟模块产生的数据发送时钟作为数据输出基准，通过移位寄存器的方式将组帧后的数据进行移位输出，当全部数据输出完之后，置位发送完成标志寄存器。

在整个测试系统中，软件子系统发挥着至关重要的作用，所有的测试逻辑基本通过软件实现，因此软件是否正确就确定测试工作是否准确进行，下面通过功能验证确保测试系统的准确性。

4、功能验证

为准确的评价测试系统的性能，分别选取已知性能指标的外触发模式光纤陀螺1只（通讯波特率为1.25M，陀螺触发指令为0x55）和自触发模式光纤陀螺1只（通讯波特率为921600bps）作为性能评价依据。按照光纤陀螺测试大纲要求，对这两只陀螺进行测试，测试项目包括常温零偏稳定性、常温标度性能、阈值测试等，测试过程中光纤陀螺通信正常，各项测试结果均与已知性能指标一致，可以看出，光纤陀螺通用并行测试系统的指标完全满足光纤陀螺的测试要求。

5、总结

本文提出了一种基于FPGA的光纤陀螺通用并行测试系统，该系统功能集成化程度较高，可根据不同的陀螺数据输出波特率进行匹配设计，极大地节省了研发人员时间与工作量，提高了光纤陀螺的生产交付进度。经过一段时间的使用与测试表明，该系统可靠性高，且能够完成光纤陀螺几乎所有参数的测试，对后续光纤陀螺的研发和测试工作，意义重大。

参考文献

[1]张维叙 著.光纤陀螺及其应用[M]，北京：国防工业出版社，2008.5.

[2]《Verilog数字系统设计教程》[M].夏宇闻，北京航空航天大学出版社，2012.

[3]刘思科，陈明，赵丽华.一种光纤陀螺测试数据采集系统设计[J].计算机测量与控制，2007，15（7）：972-974.

[4]李芃博.光纤陀螺自动化测试系统设计[J].電子科技，2015，28[4]：160-164.

作者简介：

陈楠（1994.04-），性别：男，民族：汉，籍贯：江西省九江市，当前职务：设计员，

当前职称：助理工程师，学历：大学本科，研究方向：光纤陀螺。

（作者单位：贵州航天控制技术有限公司）