基于FPGA的数字闭环光纤陀螺仪模拟表头设计

　　摘 要：光纤陀螺仪是一种用来测量角速度的传感器。为了检测调制解调电路是否符合设计要求，并提高陀螺的实际应用精度，本文设计了一种基于FPGA的光纤陀螺仪模拟表头及其测试系统，能有效地检测调制解调电路的性能。

　　关键词：光纤陀螺;模拟表头;FPGA;Verilog HDL

　　光纤陀螺是激光陀螺的一种，是惯性技术和光电子技术紧密结合的产物。它利用Sagnac干涉效应，用光纤构成环形光路，并检测出随光纤环的转动而产生的两路超辐射光束之间的相位差，由此计算出光纤环旋转的角速度。光纤陀螺仪主要由两个部分组成。伺服于表头的调制解调电路根据输入的电信号，经过相应的变换后形成反馈信号送至表头的相位调制器中。在实际的应用过程中，相应的调制解调电路应该根据温度、振动等情况做出相应的改变，才能最大限度地保证陀螺的精度要求。本文设计了一种基于FPGA的测试系统，模拟光纤陀螺仪的表头，并检测调制解调电路的性能。

　　模拟表头的基本原理及结构

　　表头的主要功能是将Sagnac效应产生的光程差所引起的相位变化通过回路耦合器转换为光功率的变化，再通过探测器探测后以电信号的形式输出至调制解调电路中。数字闭环光纤陀螺仪系统结构见图1。从调制解调电路中采样来的原始参数值，经过模拟表头内数字信号处理，可将输入调制解调电路的实际表头信号还原出来。得到初始还原值之后，通过在模拟表头中进行修改、加载不同类型的参数值，从而检测调制解调电路中相应的性能指标。

　　图1 数字闭环光纤陀螺仪系统结构图

　　本文所设计的模拟表头系统遵循了一般数字闭环光纤陀螺系统的基本原理，在系统结构上发生了变化。调制解调电路在本系统中处于被动地位，而表头作为系统的主体。同时，用一个自主设计的电路系统代替了光纤陀螺仪的表头部分。模拟表头及其测试系统的结构如图2所示。

　　图2 模拟表头及其测试系统框图

　　图中，PC上位机的工作十分重要，它不仅控制调制解调电路和模拟表头系统的协同工作，而且要将所采集来的数据进行分析整理，并完成关键的软件编写和植入工作。

　　模拟表头系统的硬件设计

　　根据理论分析，本文设计出基于FPGA的模拟表头硬件系统，如图3所示。

　　图3 基于FPGA的光纤陀螺模拟表头硬件连接图

　　在这个闭环系统中，需要采集的主要信号是调制解调电路中的相位反馈信号。根据反馈信号的特点，选用运算量不大但处理速度快的FPGA作为信号处理的主要器件。在本方案中，考虑到成本和实际运算量，选取XC3S100E FPGA芯片。

　　本系统采用