基于V/F变换的高精度寻北仪信号处理系统设计

    寻北仪是军事领域很重要的指示方位的惯性仪表,可为雷达、坦克等载体提供北向基准。它利用陀螺仪测得地球自转角速率分量值和加速度计测得陀螺轴向水平误差角,经解算得到固联于其上的参考轴向与真北方向的夹角,从而得到载体的某一固定轴向与北向的夹角。寻北仪通过采集陀螺和加速度计输出,加速度计输出信号经A/D芯片转换成数字量,陀螺输出信号经V/F芯片转换成数字量并进行计数,然后通过数字滤波技术,最后解算出载体与北向的夹角。寻北仪数据采集的精确程度直接决定着寻北结果的精度,因此数据采集部分是寻北仪中的关键部分。

    1　信号处理系统基本原理

    本系统由V/F变换电路、数字信号处理电路、通讯及数字滤波部分组成。来自于陀螺解调放大电路的输入信号(已经模拟滤波),经本系统的处理后用于寻北解算。信号处理系统的工作流程框图如图1所示。

    2　V/F变换电路

    陀螺输出信号经放大和模拟滤波后进行V/F变换,将模拟的电压信号转换为数字信号;加速度计输出信号经A/D芯片转换为数字信号。陀螺输出信号的V/F变换部分由AD公司的电压频率转换芯片AD537实现。其性能特点是仅通过外部简单的RC网络测量频率可达100 kHz,电压可以达到±30 V,线性误差率低于每10 kHz±0.05%,单电源5~36 V供电,消耗电流1.2 mA,温度漂移低。V/F变换电路如图2所示。该芯片的电压频率变换式为

式中　GIN为陀螺输出信号(图2中GXIN、GYIN两路陀螺输出信号);G_{_F}为G_IN对应的频率。可通过调整电阻R₁、R₂和电容C来调整输出的频率。

    3　信号处理

    3.1　FPGA及EPC2配置芯片

    在选择具体器件前先进行算法及硬件资源验证,通过在PC机上把所有要求FPGA实现的功能模块设计后进行布线、仿真,根据硬件资源需求情况选择相应型号的芯片。通过编译运行得到要实现设计功能需298个逻辑单元,考虑到系统的可扩展性,选用了Altera公司的FLEX10K系列FPGA芯片EPF10K20。

    配置是对FPGA的内容进行编程的一个过程^[3]。每次上电后需进行配置是基于SRAM工艺FPGA的一个特点。在FPGA内部有许多可编程的多路器、逻辑、互连线结点和RAM初始化内容等,都需要配置数据来控制。本文采用的配置方式为被动串行配置(PS)方式。在PS方式下,FPGA完全处于被动的地位。FPGA接收配置时钟、配置命令和配置数据,给出配置的状态信号及配置完成指示信号等。具体配置连接如图3所示。

    在配置FPGA时,首先需要将引脚nCONFIG电平拉低,然后再拉高。当引脚nCONFIG电平被拉高后,FPGA的nSTATUS也将变高,表示这时已可开始配置,外部电路就可用DCLK的时钟上升沿一位一位地将配置数据写入到FPGA中。当最后一个比特数据写入后,CONF_DONE管脚被FP-GA释放,被外部的上拉电阻拉高,FPGA随即进入初始状态。在完成初始化过程后,FPGA正式进入用户模式。