毛端海，董金龍，龍 瓊

（1.第二炮兵工程大學(xué) 陜西 西安 710025；2.海軍兵種指揮學(xué)院 廣東 廣州 510430）

慣性平臺(tái)是導(dǎo)彈、航空飛機(jī)、運(yùn)載火箭等飛行器中制導(dǎo)與控制系統(tǒng)中的核心部件，主要是為相關(guān)飛行器建立慣性空間的方位和姿態(tài)角基準(zhǔn)[1]，包括陀螺儀、加速度計(jì)和伺服回路。陀螺儀測(cè)量飛行器相對(duì)慣性空間的角度、角速度，加速度計(jì)測(cè)量飛行器相對(duì)慣性空間的速度和加速度[2]。陀螺儀、加速度計(jì)能否正常工作直接關(guān)系著飛行器的可靠性。

慣性平臺(tái)失穩(wěn)倒臺(tái)、加速度計(jì)飛轉(zhuǎn)是慣性平臺(tái)測(cè)試和正常工作中應(yīng)重點(diǎn)防范的故障[3]。當(dāng)外部環(huán)境過(guò)載或穩(wěn)定回路的某一環(huán)節(jié)發(fā)生故障時(shí)，可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定發(fā)散或開(kāi)環(huán)，引起環(huán)架（常平架）伺服電機(jī)單向驅(qū)動(dòng)，造成平臺(tái)環(huán)架從原來(lái)的穩(wěn)定位置向某一邊快速轉(zhuǎn)動(dòng)倒下，由于慣性平臺(tái)上環(huán)架和陀螺具有的交耦性，在高速率的情況下，會(huì)引發(fā)其它各環(huán)架伺服回路的同時(shí)倒環(huán)，這就是所謂的慣性平臺(tái)失穩(wěn)倒臺(tái)。如果不及時(shí)切斷電源，會(huì)對(duì)慣性平臺(tái)上的慣性器件造成致命性損傷[4]。

加速度計(jì)飛轉(zhuǎn)主要是針對(duì)陀螺擺式加速度計(jì)，通常由于加速度計(jì)回路故障，或陀螺激磁電源異常，使得加速度計(jì)輸出的加速度明顯超出加速度計(jì)的正常測(cè)量值，則說(shuō)明陀螺發(fā)生了飛轉(zhuǎn)，時(shí)間稍長(zhǎng)會(huì)造成陀螺的嚴(yán)重磨損。

為防止慣性平臺(tái)倒臺(tái)、加速度計(jì)飛轉(zhuǎn)造成的巨大損失，通常在研制慣性平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，都會(huì)加入測(cè)試保護(hù)電路。相對(duì)于傳統(tǒng)的單片機(jī)電路，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA具有集成度高、處理能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快、靈活可重配置、實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)點(diǎn)[5]，在復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合某型平臺(tái)通用測(cè)試系統(tǒng)的研制，設(shè)計(jì)了基于FPGA慣性平臺(tái)測(cè)試的保護(hù)電路。

1 保護(hù)原理

平臺(tái)失穩(wěn)倒臺(tái)保護(hù)原理：對(duì)姿態(tài)角進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，判斷短時(shí)間內(nèi)姿態(tài)角的變化率，即角加速度是否超過(guò)設(shè)定的閾值。若超出，則輸出保護(hù)信號(hào)，斷開(kāi)平臺(tái)穩(wěn)定回路供電，從而實(shí)現(xiàn)倒臺(tái)保護(hù)。

加速度計(jì)防飛保護(hù)原理：利用計(jì)數(shù)器對(duì)加速度計(jì)輸出脈沖進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)，并設(shè)定計(jì)數(shù)溢出值。如果加速度計(jì)工作正常，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)便不會(huì)產(chǎn)生溢出；當(dāng)加速度計(jì)出現(xiàn)飛轉(zhuǎn)時(shí)，輸出脈沖頻率將明顯增大，從而可能使計(jì)數(shù)器計(jì)滿溢出，F(xiàn)PGA響應(yīng)溢出信號(hào)，輸出保護(hù)信號(hào)，切斷加速度計(jì)回路供電，防止加速度計(jì)飛轉(zhuǎn)。

2 硬件設(shè)計(jì)

某型慣性平臺(tái)構(gòu)成包括3個(gè)動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀和2個(gè)撓性擺式陀螺加速度計(jì)、一個(gè)石英加速度計(jì)，其中石英加速度計(jì)不需要設(shè)計(jì)保護(hù)電路。平臺(tái)測(cè)試保護(hù)電路則對(duì)應(yīng)包括陀螺儀保護(hù)電路和加速度計(jì)保護(hù)電路。

2.1 陀螺儀保護(hù)電路

平臺(tái)輸出的X、Y、Z姿態(tài)角信號(hào)實(shí)際是以各自通道的開(kāi)門(mén)脈沖、關(guān)門(mén)脈沖兩路信號(hào)輸出的。任一通道的保護(hù)電路如圖1所示。82C54的一個(gè)16位計(jì)數(shù)器即可滿足一個(gè)通道的姿態(tài)角計(jì)數(shù)[6]。

開(kāi)關(guān)門(mén)信號(hào)經(jīng)異或門(mén)后，再與開(kāi)門(mén)信號(hào)相與，作為82C54的GATE端信號(hào)。開(kāi)門(mén)脈沖到來(lái)后，82C54計(jì)數(shù)器的GATE端變?yōu)楦唠娖?，?2C54計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，關(guān)門(mén)脈沖到來(lái)后，82C54計(jì)數(shù)GATE端變?yōu)榈碗娖剑?2C54計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，F(xiàn)PGA查詢到該通道計(jì)數(shù)結(jié)束后，讀取該通道的計(jì)數(shù)值，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到姿態(tài)角的大小，進(jìn)一步計(jì)算出角速度。

圖1 陀螺儀保護(hù)電路圖Fig.1 Gyroscope protection circuit

2.2 加速度計(jì)保護(hù)電路

加速度計(jì)保護(hù)電路如圖2所示。

圖2 加速度計(jì)防飛保護(hù)電路圖Fig.2 Circuit of preventing accelerometer turning to fly

每個(gè)陀螺[7]加速度計(jì)的輸出包括正計(jì)數(shù)脈沖和負(fù)計(jì)數(shù)脈沖兩路信號(hào)。兩個(gè)加速度計(jì)的四路脈沖分別送到兩片82C54的4個(gè)計(jì)數(shù)通道CLK端，各通道采用方式0，并設(shè)定82C54計(jì)數(shù)溢出值（對(duì)應(yīng)的是加速度的保護(hù)閾值）。

一旦陀螺加速度計(jì)發(fā)生飛轉(zhuǎn)，必然引起4個(gè)計(jì)數(shù)通道中某一路溢出，經(jīng)過(guò)三個(gè)或門(mén)的求和判斷，形成一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，F(xiàn)PGA響應(yīng)這一中斷，立即控制繼電器切斷加表回路電源，使加速度計(jì)的陀螺停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而保護(hù)加速度計(jì)。

2.3 FPGA的選取

目前，主要的FPGA供應(yīng)商有Xllinx公司、Altera公司、Lattic公司和Actel公司，其中Xllinx公司和Altera公司的規(guī)模最大，能提供器件的種類非常豐富。Altera公司的主流器件有 CycloneⅡ，CycloneⅢ，StatixⅡ，StatixⅡGX，StatixⅢ和 StatixⅢGX等系列，其中CycloneⅡ和CycloneⅢ系列主要應(yīng)用于邏輯設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)單的數(shù)字信號(hào)處理，StatixⅡ和StatixⅢ系列主要應(yīng)用于高速?gòu)?fù)雜數(shù)字信號(hào)處理和高速邏輯設(shè)計(jì)，StatixⅡGX和StatixⅢGX系列主要應(yīng)用于通訊領(lǐng)域；Xllinx公司的主流器 件 有 Spartan-3E，Spartan-3A，Virtex-4LX，Virtex-4SX，Virtex-4FX，Virtex-5LX，Virtex-5SX 和 Virtex-5FX 等系列，其中Spartan-3E和Spartan-3A系列主要應(yīng)用于邏輯設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)單數(shù)字信號(hào)處理，Virtex-4LX和Virtex-5LX系列主要應(yīng)用于高速邏輯設(shè)計(jì)，Virtex-4SX和Virtex-5SX系列主要應(yīng)用于高速?gòu)?fù)雜數(shù)字信號(hào)處理，Virtex-4FX和Virtex-5FX系列主要應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)。

綜合考慮保護(hù)電路的設(shè)計(jì)要求、成本、運(yùn)行環(huán)境等各方面因素，最終選定Altera公司CycloneⅡ系列中的EP1C6作為保護(hù)電路中的FPGA。

3 軟件設(shè)計(jì)

圖3 主程序流程圖Fig.3 Main program flow chart

主程序流程如圖3所示，其主要功能有：1）對(duì)計(jì)數(shù)芯片82C54的控制。2）在82C54完成計(jì)數(shù)后讀取計(jì)數(shù)值。3）判斷姿態(tài)角速率是否超差。4）進(jìn)行保護(hù)控制。

用于姿態(tài)角計(jì)數(shù)的82C54 3個(gè)通道采用方式4，并設(shè)置一個(gè)足夠大的計(jì)數(shù)初值，該初值足以保證在姿態(tài)角一個(gè)開(kāi)關(guān)門(mén)脈沖周期內(nèi)計(jì)數(shù)不會(huì)溢出。

EP1C6通過(guò)時(shí)鐘分頻設(shè)置時(shí)長(zhǎng)為20 ms的中斷，中斷子程序流程如圖4所示。

圖4 中斷響應(yīng)子程序流程圖Fig.4 Interrupt response subroutine flow chart

4 結(jié)束語(yǔ)

文中已為某慣性平臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)了測(cè)試保護(hù)電路，完成了電路板的編程和調(diào)試工作，并在該平臺(tái)上進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)出現(xiàn)平臺(tái)倒臺(tái)、加表飛轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)試保護(hù)電路能夠及時(shí)切斷平臺(tái)伺服回路電源，有效保護(hù)了平臺(tái)中的慣性器件。

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