专利名称：一种激光陀螺pos数据采集及预处理系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光陀螺POS数据采集及预处理系统，属于惯性技术领域，可以 应用于POS (Position and Orientation System，位置姿态测量系统)，也可以应用于惯性 导航、惯性/GPS (Global Position System，全球定位系统)组合导航系统的数据采集及预处理。
背景技术：
对于高分辨率航空遥感系统，除了高分辨率遥感载荷之外，制约遥感系统成像分 辨率的主要因素是高精度P0S。高精度POS为遥感载荷提供高精度位置姿态基准，同时为惯 性稳定平台提供精确的指向。无论对于高分辨率光学相机，还是机载三维成像激光雷达，高 精度POS是提高成像分辨率的关键，已成为制约我国高分辨率遥感系统发展的技术瓶颈。 数据采集及预处理系统是POS系统的重要组成部分，直接关系到POS系统功能的实现及性 能的提高。国外在高分辨率遥感载荷发展的牵引下，高精度POS技术也得到了快速发展，美 国、加拿大、德国等发达国家已经形成了产品，并广泛应用于高性能航空遥感领域。加拿 大APPLANIX公司是当今世界上POS技术发展水平的代表，其研制了一系列P0S，其中POS/ AV610激光陀螺POS系统，应用于航空相机、成像光谱仪、激光雷达和合成孔径雷达等，其 IMU采用的是Honeywell公司的micro ISR，由于技术封锁，没有相关micro ISR数据采集 及预处理系统的报道。Honeywell是当今世界上陀螺及惯性导航系统技术发展水平的代表， 其高精度激光陀螺惯性测量单元HG9900采用的是TI的TMS320VC33浮点处理器作为核心 处理器。国内在POS用惯性测量系统技术方面，虽然起步较晚，但是目前已经开展了相应 的研究工作，并取得了一定的进展。我国第一代机载POS试验样机，成功应用于中科院电子 所机载微波遥感系统。研制的第二代POS原理样机用挠性陀螺惯性测量系统；研制的高精 度POS原理样机用光纤陀螺惯性测量系统，姿态精度高达0. 02°，为高精度POS研制提供了 技术支撑，其数据采集及预处理系统采用单FPGA加外围芯片的组合方式，实现数据采集， 但FPGA是定点处理器，无法进行高精度数据滤波，所以单FPGA数据采集方案无法满足激光 陀螺POS系统需求。国防科技大学制作的激光陀螺惯性导航系统，其数据采集及预处理系 统采用PC-104作为主处理器，但是PC-104体积大、功耗大，难以满足POS系统小体积、低功 耗、高精度的发展需求。

发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提出一种激光陀螺POS数据采 集及预处理系统，从而满足POS系统高频率和高精度的需求。本发明技术解决方案是一种激光陀螺POS数据采集及预处理系统包括FPGA数 据采集模块和DSP数据预处理模块；FPGA数据采集模块包括I/F转换电路、光耦隔离电路、正交解码电路、FPGA最小子系统和温度信号调理电路；DSP数据预处理模块包括DSP最小 子系统和RS-422串口发送电路；三路激光陀螺正交编码信号经过光耦隔离电路发送给正 交解码电路，正交解码电路解码完成后得到激光陀螺解码信号，发送给FPGA最小子系统； 三路加速度计电流信号经过I/F转换电路转换为加速度计脉冲，然后经过光耦隔离电路发 送给FPGA最小子系统；GPS秒脉冲信号经过光耦隔离电路发送给FPGA最小子系统；激光陀 螺温度信号和加速度计温度信号经过温度信号处理电路进行信号放大和A/D转换后，经过 光耦隔离电路通过SPI通信方式发送给FPGA最小子系统；FPGA最小子系统通过硬件描述 语言在FPGA中搭建硬件电路系统，实现激光陀螺数据和加速度计数据2KHz-20KHz的高频 采样，具体实现为通过采集脉冲方式采集GPS秒脉冲同步FPGA数据采集时钟，通过采集脉 冲和电平的方式采集激光陀螺信号，通过采集脉冲的方式采集加速度计信号，通过SPI通 信方式采集激光陀螺温度信号和加速度计温度信号；DSP最小子系统读取FPGA最小子系统 采集的三路激光陀螺信号、三路加速度计信号、激光陀螺温度信号和加速度计温度信号，并 进行预处理，预处理包括对三路激光陀螺数据及三路加速度计数据进行低通数字滤波；利 用激光陀螺温度数据和加速度计温度数据分别对激光陀螺数据和加速度计数据进行查找 表式温度补偿；利用激光陀螺数据对加速度计数据进行振动误差补偿；将经过低通滤波、 温度误差补偿和振动误差补偿的激光陀螺数据和加速度计数据进行加和平滑，最后通过 RS-422串口通信电路将预处理结果发送给导航计算机；DSP最小子系统通过提高DSP硬件 利用率和软件算法执行效率，实现系统小体积、低功耗和高运算性能。所述的正交解码电路采用HCTL-2020实现对激光陀螺正交编码信号的硬件解码， 每路激光陀螺信号解码输出为一路脉冲和一路电平信号。所述的FPGA数据采集模块采用一片)(C3S1500作为处理器。所述的FPGA数据采集模块采集GPS秒脉冲，通过GPS秒脉冲脉冲沿重置数据采集 时钟计数器的硬件实现方法，实现FPGA数据采集模块的采集时钟与GPS秒脉冲的时钟同
止
少ο所述的FPGA数据采集模块对激光陀螺和加速度计信号进行2KHZ-20KHZ高频信号 采样。所述的DSP数据预处理模块采用一片带有EMIF的TMS320C67i;3B浮点DSP芯片作 为处理器。所述温度信号调理电路包括九路激光陀螺温度信号处理电路和三路加速度计温 度信号处理电路；激光陀螺内部温度传感器为钼电阻，利用钼电阻的电阻值大小随温度变 化的原理，将其与精密电阻串联分压，然后将分压信号输送给运算放大器进行放大，放大后 经过一级电压跟随器，输送给A/D转换芯片进行模数转换，然后经过光耦隔离电路，通过 SPI通信方式发送给FPGA最小子系统；利用加速度计内部温度传感器输出电流大小随温度 变化的原理，将输出电流用一个精密电阻进行电流变电压，然后将电压信号输送给运算放 大器进行放大，放大后经过一级电压跟随器，输送给A/D转换芯片进行模数转换，然后经过 光耦隔离电路G)，通过SPI通信方式发送给FPGA最小子系统(6)。本发明的原理是激光陀螺输出信号为正交编码信号，数据采集及预处理系统通 过HCTL-2020芯片的正交解码功能对激光陀螺信号解码，将激光陀螺信号转换为一路脉冲 信号和一路电平信号，通过FPGA采集脉冲及电平的功能，完成对激光陀螺信号的采集；加速度计输出为电流信号，电流信号先通过I/F转换电路转换为脉冲信号，再通过FPGA脉冲 采集功能，完成加速度计信号的采集；激光陀螺和加速度计温度信号首先通过0PA4350进 行信号放大，然后通过ADS8345E进行A/D转换，最后FPGA通过SPI通信方式采集温度信号。 数据采集及预处理系统采集时钟到达时，FPGA通过中断方式通知DSP，DSP通过16位并口 总线EMIF将FPGA采集的激光陀螺数据、加速度计数据和温度数据转存到DSP内部存储区， 然后对激光陀螺数据、加速度计数据进行低通滤波、温度补偿、振动误差补偿和数据平滑， 最后将预处理结果通过串口通信模式发送给导航计算机。本发明与现有技术相比的优点在于(1)本发明采用了 FPGA，通过高速硬件算法实现对激光陀螺及加速度计数据进行 2KHz-20KHz高频率采样，采用了高速、浮点DSP，通过对FPGA采集到的激光陀螺及加速度计 数据进行高精度数字低通滤波、温度误差补偿、振动误差补偿和数据平滑，从而满足POS系 统高频率、高精度的需求；(2)本发明采用了 FPGA+DSP的方案，通过硬件描述语言在FPGA中搭建硬件电路 系统，通过软件程序算法在DSP中提高DSP硬件利用率和软件算法效率，从而较传统的基于 X86架构的数据采集及预处理系统，实现了小体积、低功耗和高运算性能。


图1为本发明的系统组成框图；图2为本发明的激光陀螺解码电路图；图3为本发明的GPS秒脉冲电路图；图4为本发明的RS-422高速串行数据传输电路图；
图5为本发明的FPGA电路图；图6为本发明的DSP电路图；图7为本发明的FPGA与DSP程序流程图。
具体实施例方式如图1所示，本发明包括FPGA数据采集模块1和DSP数据预处理模块2。FPGA数 据采集模块1包括I/F转换电路3、光耦隔离电路4、正交解码电路5、温度信号处理电路7 和FPGA最小子系统6 ；DSP数据预处理模块包括RS-422串口发送电路9和DSP最小子系统 8。激光陀螺输出正交编码信号，信号为A、B两路方波信号，且A、B两路信号相位相 差90°，经过光耦隔离电路4输送给正交解码电路5，正交解码电路5，如图2所示，利用 HCTL-2020芯片的正交解码功能，将激光陀螺正交编码信号进行解码，转换为一路脉冲信号 和一路电平信号，发送给FPGA最小子系统6 ；加速度计的电流信号经过I/F转换电路3转 换为脉冲信号，经过光耦隔离电路4输出给FPGA最小子系统6 ；GPS秒脉冲信号经过光耦隔 离电路4，如图3所示，输送给FPGA最小子系统6 ；光耦隔离电路4，利用光电耦合器输入与 输出的电气隔离原理，通过光电耦合芯片HCPL-063L和HCPL-0630将激光陀螺、加速度计、 GPS和模拟电路与后端采集电路进行电气隔离，减小各个部件间的相互干扰。温度信号调理电路7包括九路激光陀螺温度信号处理电路和三路加速度计温度信号处理电路。激光陀螺内部温度传感器为钼电阻，利用钼电阻的电阻值大小随温度变化 的原理，将其与精密电阻串联分压，然后将分压信号输送给运算放大器进行放大，放大后经 过一级电压跟随器，输送给A/D转换芯片ADS8345E进行模数转换，然后经过光耦隔离电路 4，通过SPI通信方式发送给FPGA最小子系统6。加速度计内部温度传感器为AD590，利用 AD590的输出电流大小随温度变化的原理，将其输出电流用一个精密电阻进行电流变电压， 然后将电压信号输送给运算放大器进行放大，放大后经过一级电压跟随器，输送给A/D转 换芯片ADS8345E进行模数转换，然后经过光耦隔离电路4，通过SPI通信方式发送给FPGA 最小子系统6。FPGA最小子系统6中FPGA芯片XC3S1500，如图5所示，通过硬件描述语言搭建 硬件电路系统，具体算法流程如图7上半部分所示，将采集时钟通过主频25MHz分频得到 2KHz-20KHz，通过FPGA高速、并行运行的特点，并行采集经正交解码电路5解码的激光陀螺 脉冲和电平信号，经光耦隔离电路4隔离的I/F转换电路3输出的加速度计脉冲信号，经光 耦隔离电路4隔离的GPS秒脉冲信号和经光耦隔离电路4隔离的温度信号处理电路7输出 的激光陀螺温度信号和加速度计温度信号；利用GPS秒脉冲重置采集时钟的计数器，同步 数据采集时钟，使采集时钟与GPS时间对齐，修正因有源晶振频偏带来的数据采集及预处 理系统的时钟漂移；并将采集到的激光陀螺数据、加速度计数据、激光陀螺温度数据和加速 度计温度数据暂存到缓冲区；FPGA芯片)(C3S1500通过16位并口总线实现与DSP的数据传 输。DSP最小子系统8中DSP芯片TMS320C671!3B，如图6所示，通过EMIF地址线和数 据线对Flash存储器和FPGA共用，提高DSP硬件利用率；DSP软件算法，通过C语言与汇 编语言混合编程，提高DSP软件算法执行效率，具体流程如图7下半部分所示，通过16位 并口总线EMIF对外部异步设备FPGA进行读操作，从FPGA中读取经FPGA采集到的激光陀 螺数据、加速度计数据、激光陀螺温度数据和加速度计温度数据，并暂存到缓冲区。数据块 读取完成后，对数据进行预处理，预处理包括对三路激光陀螺数据及三路加速度计数据通 过数字低通滤波器进行低通数字滤波，将陀螺的机械抖动噪声滤除，保留有效角速度信息 和线加速度信息，低通数据滤波器主要设计参数为通带截止频率为50Ηζ-100Ηζ，阻带截 止频率为200Hz-250Hz，通带最大衰减为0. 001dB-3dB,阻带最小衰减为60dB_80dB ；对系 统进行-40°C +60°C全温温度标定，建立系统温度模型，将模型置于DSP程序当中作为查 找表，然后利用激光陀螺温度数据和加速度计温度数据分别对激光陀螺数据和加速度计数 据进行实时查找表式温度补偿；系统静态情况下，在激光陀螺上下电时，分别测量加速度计 均值输出，利用该方法测量激光陀螺机械抖动对加速度计输出数据的影响，然后利用激光 陀螺振动信息对加速度计数据进行振动误差补偿；最后将经过滤波和误差补偿的激光陀 螺数据和加速度计数据进行加和平滑，从2KHz-20KHz数据加和得到200Hz数据，并暂存到 发送缓冲区，然后经过RS-422串口发送电路9，采用RS-422异步串行通信模式，通过芯片 MAX3488，如图4所示，将预处理结果传送给导航计算机。本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
权利要求
1.一种激光陀螺POS数据采集及预处理系统，其特征在于包括FPGA数据采集模块 (1)和DSP数据预处理模块O) ；FPGA数据采集模块(1)包括I/F转换电路(3)、光耦隔离 电路G)、正交解码电路(5)、FPGA最小子系统(6)和温度信号调理电路(7) ；DSP数据预处 理模块( 包括DSP最小子系统(8)和RS-422串口发送电路(9)；三路激光陀螺正交编码 信号经过光耦隔离电路(4)发送给正交解码电路(5)，正交解码电路(5)解码完成后得到 激光陀螺解码信号，发送给FPGA最小子系统(6)；三路加速度计电流信号经过I/F转换电 路(3)转换为加速度计脉冲，然后经过光耦隔离电路(4)发送给FPGA最小子系统(6) ；GPS 秒脉冲信号经过光耦隔离电路(4)发送给FPGA最小子系统(6)；激光陀螺温度信号和加速 度计温度信号经过温度信号处理电路(7)进行信号放大和A/D转换后，经过光耦隔离电路 (4)通过SPI通信方式发送给FPGA最小子系统(6) ；FPGA最小子系统(6)通过硬件描述语 言在FPGA中搭建硬件电路系统，实现激光陀螺数据和加速度计数据2KHz-20KHz的高频采 样，具体实现为通过采集脉冲方式采集GPS秒脉冲同步FPGA数据采集时钟，通过采集脉冲 和电平的方式采集激光陀螺信号，通过采集脉冲的方式采集加速度计信号，通过SPI通信 方式采集激光陀螺温度信号和加速度计温度信号；DSP最小子系统(8)读取FPGA最小子系 统(6)采集的三路激光陀螺信号、三路加速度计信号、激光陀螺温度信号和加速度计温度 信号，并进行预处理，预处理包括对三路激光陀螺数据及三路加速度计数据进行低通数字 滤波；利用激光陀螺温度数据和加速度计温度数据分别对激光陀螺数据和加速度计数据进 行查找表式温度补偿；利用激光陀螺数据对加速度计数据进行振动误差补偿；将经过低通 滤波、温度误差补偿和振动误差补偿的激光陀螺数据和加速度计数据进行加和平滑，最后 通过RS-422串口通信电路(9)将预处理结果发送给导航计算机；DSP最小子系统(8)通过 提高DSP硬件利用率和软件算法执行效率，实现系统小体积、低功耗和高运算性能。
2.根据权利要求1所述的一种激光陀螺POS数据采集及预处理系统，其特征在于所 述的正交解码电路( 采用HCTL-2020实现对激光陀螺正交编码信号的硬件解码，每路激 光陀螺信号解码输出为一路脉冲和一路电平信号。
3.根据权利要求1所述的一种激光陀螺POS数据采集及预处理系统，其特征在于所 述的FPGA数据采集模块(1)采用一片)(C3S1500作为处理器。
4.根据权利要求1所述的一种激光陀螺POS数据采集及预处理系统，其特征在于所 述的FPGA数据采集模块(1)采集GPS秒脉冲，通过GPS秒脉冲脉冲沿重置数据采集时钟计 数器的硬件实现方法，实现FPGA数据采集模块的采集时钟与GPS秒脉冲的时钟同步。
5.根据权利要求1所述的一种激光陀螺POS数据采集及预处理系统，其特征在于所 述的FPGA数据采集模块(1)对激光陀螺和加速度计信号进行2KHz-20KHz高频信号采样。
6.根据权利要求1所述的一种激光陀螺POS数据采集及预处理系统，其特征在于所 述的DSP数据预处理模块(2)采用一片带有EMIF的TMS320C67i;3B浮点DSP芯片作为处理器。
7.根据权利要求1所述的一种激光陀螺POS数据采集及预处理系统，其特征在于所 述温度信号调理电路(7)包括九路激光陀螺温度信号处理电路和三路加速度计温度信号 处理电路；激光陀螺内部温度传感器为钼电阻，利用钼电阻的电阻值大小随温度变化的原 理，将其与精密电阻串联分压，然后将分压信号输送给运算放大器进行放大，放大后经过一 级电压跟随器，输送给A/D转换芯片进行模数转换，然后经过光耦隔离电路(4)，通过SPI通信方式发送给FPGA最小子系统(6)；利用加速度计内部温度传感器输出电流大小随温度变 化的原理，将输出电流用一个精密电阻进行电流变电压，然后将电压信号输送给运算放大 器进行放大，放大后经过一级电压跟随器，输送给A/D转换芯片进行模数转换，然后经过光 耦隔离电路G)，通过SPI通信方式发送给FPGA最小子系统(6)。
全文摘要
一种激光陀螺POS数据采集及预处理系统包括FPGA数据采集模块和DSP数据预处理模块。FPGA数据采集模块实现激光陀螺信号、加速度计信号和温度信号采集，并利用GPS秒脉冲同步FPGA数据采集时钟。DSP数据预处理模块读取FPGA中激光陀螺数据、加速度计数据和温度数据，对数据进行预处理，并将预处理结果发送给导航计算机。本发明实现了FPGA+DSP架构的高频率、高精度激光陀螺POS数据采集及预处理系统的集成设计，减小了系统功耗、体积和重量，使得系统性能大大提高。
文档编号G01C21/18GK102109351SQ201010623908
公开日2011年6月29日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者刘百奇, 康泰钟, 李建利, 钟麦英, 闫东坤 申请人:北京航空航天大学