（海軍工程大學導航工程教研室 武漢 430033）

1 引言

慣性導航是完全自主，可以提供速度、位置、姿態(tài)等全部導航信息的導航方式，由于它的自主性、不易受外界干擾且不向外輻射能量等特點，其在導航領域的地位是不可被取代的。光纖陀螺利用光學回路代替了機電陀螺的轉子，具有結構簡單、啟動快、價格低、體積小等特點，經(jīng)過了半個多世紀的發(fā)展，光纖陀螺技術日趨成熟。目前光纖陀螺慣導在國內(nèi)發(fā)展迅速，未來將會逐步取代激光陀螺和傳統(tǒng)機械陀螺慣導，主宰戰(zhàn)略級領域［1～4］。

由于光纖陀螺慣導應用前景廣闊，對其研究越來越廣泛，實驗室準備設計制作一套光纖陀螺慣導系統(tǒng)，更加深入研究慣導結構，工作流程，程序和電路設計等，并用于今后的研究和測試。良好的電路設計是構建慣導系統(tǒng)、提高系統(tǒng)可靠性和適用性的關鍵因素之一［5］。本文基于旋轉調(diào)制光纖陀螺慣導工作原理［6］，構建了系統(tǒng)硬件的整體框架，并由此設計光纖陀螺慣導系統(tǒng)主要電路。

2 光纖陀螺慣導系統(tǒng)

光纖陀螺慣導系統(tǒng)硬件總體設計結構如圖1所示。

1）利用光纖陀螺和撓性加速度計作為慣性測量部件（IMU），采用單軸旋轉方案，將天向陀螺固定在系統(tǒng)框架上，水平方向的陀螺和三個加速度計安裝在電機控制的水平旋轉機構上，繞天向軸轉動。

圖1 光纖陀螺慣導系統(tǒng)硬件結構

2）加速度計輸出為電流模擬信號，為了便于準確傳輸和測量，將其轉換成脈沖頻率信號，因此設置I/F轉換單元［7］。設置A/D轉換單元，將采集的加速度計溫度信號轉換成計算機可以識別的數(shù)字信號。

3）陀螺輸出信號和溫度信號為數(shù)字脈沖信號，可以直接進入計算機。

4）計算機完成對陀螺和加速度計輸出的脈沖計數(shù)，溫度、電機轉角等數(shù)據(jù)的采集，并通過RS-232接口與顯控部件通訊，發(fā)送導航信息，接收控制指令，同時可接收外部GPS信號，根據(jù)用戶指令，實現(xiàn)慣導/GPS組合導航。

5）整個系統(tǒng)由外部+27V供電，內(nèi)部電機、陀螺、加速度計和電路板等不同部件需轉換成±5V、±15V、5V等供電電壓。

為保證系統(tǒng)高效運轉、合理布局，將系統(tǒng)電路分為如下幾個板件：

1）電源/電機控制板，為系統(tǒng)各部件供電，實現(xiàn)電機旋轉控制，接收光柵信號等。

2）計算機板，實現(xiàn)陀螺和加速度計脈沖計數(shù)，溫度采集，完成陀螺和加速度計信號預處理，完成初始對準、導航解算，發(fā)送系統(tǒng)導航顯控信息。

3）加速度計I/F轉換板，將加速度計輸出的電流信號轉換為頻率信號。

4）加速度計溫度信號A/D轉換板，將加速度計溫度模擬信號轉換成數(shù)字信號。

5）信號轉接板，完成供電和信號的轉換。

6）母線板，實現(xiàn)各電子電路板的線路集成、分配。

其中，電源/電機控制板、計算機板是整個系統(tǒng)的核心電路，為系統(tǒng)供電，控制電機的轉停、完成實時大量數(shù)據(jù)的采集、處理，這對于電路連接設計提出了很高的要求。本文將介紹電源/電機控制板、計算機板的設計。

3 電源/電機控制板電路設計

電源/電機控制板分為電源模塊和電機控制模塊，下面分別介紹這兩個模塊的電路設計。

3.1 電源模塊

3.1.1 系統(tǒng)供電方案設計

電源模塊的實現(xiàn)如圖2所示。外部輸入電壓為+27V，經(jīng)無源濾波后，為電機供電，經(jīng)電源模塊轉換后為系統(tǒng)其它部分供電：±5V為陀螺供電，±15V為加速度計和I/F板供電，5V為I/F板、光柵、計算機板和GPS板等供電。

圖2 電源模塊結構

電源模塊的選擇不僅要考慮模塊本身的各項性能，還要考慮電源模塊對于本系統(tǒng)的功率余度?；诖?，本文選用北京某公司軍品級產(chǎn)品，型號為CG40-24D05&05、CG40-24D15&15、CJ15-24S05。用于三個光纖陀螺供電的CG40-24D05&05模塊的功率為40W，三個光纖陀螺總功率不大于24W。用于三個加速度計和I/F板供電的CG40-24D15&15模塊的功率為40W，三個加速度計功率小于7.2W，I/F板功率小于6W，總功率小于13.2W。CJ15-24S05模塊功率為15W，供電各模塊及功耗如表1所示。

3.1.2 電路實現(xiàn)

外部輸入的+27經(jīng)過濾波電路、肖特基二極管MBR20100整流后，分別進入三個電源模塊，以CG40-24D05&05模塊為例，其為兩路輸出，共用一個地端AGND，TRIM用于調(diào)節(jié)輸出電壓大小。如圖3所示。

系統(tǒng)計算機通過自帶的A/D采樣模塊對電源模塊輸出的6種電壓信號進行檢測，如發(fā)現(xiàn)異常，則通過TQ2-5V繼電器切斷相應的線路以保證芯片器件的安全，如圖4所示（以27V輸入電壓為例）。

圖4 繼電器電路

為了抑制共模信號，提高抗干擾性能，在電壓信號進入計算機前，采用共模抑制比（CMCC）較大的AD8221儀表放大器放大，令傳遞函數(shù)G=1，此時CMCC為80dB以上，信號放大電路如圖5所示。

圖5 電壓信號放大電路

3.2 電機控制模塊

3.2.1 總體設計

電機控制模塊采用TI公司的DSP芯片TMS320F28335 作為控制芯片［8］，稱為 DSP_A。DSP_A芯片根據(jù)設定的轉速和光柵反饋的電機實際轉速進行PID計算，產(chǎn)生相應占空比的PWM波，PWM波經(jīng)功率放大后驅動電機轉動。電機控制模塊結構如圖6所示，DSP電源為DSP_A設計供電方案；晶振為DSP_A提供30MHz時鐘頻率，內(nèi)部倍頻到150MHz；DSP_A通過CAN總線與主計算機通信。

圖6 電機控制模塊結構

3.2.2 CAN總線通信

電機控制DSP_A向主計算機發(fā)送電機轉角和電壓檢測信號，它們之間的通信通過CAN總線完成，通過總線收發(fā)器VP230實現(xiàn)電平轉換。為減少通過下拉一個10K電阻，使VP230工作在斜率控制模式，雖然通信速率有所下降，但是穩(wěn)定性得到提高。電源由L2937穩(wěn)壓器提供，因此不需要另接參考電源，如圖7所示。

圖7 CAN總線收發(fā)器配置方案

3.2.3 3DSP電源

為了降低電子產(chǎn)品的功耗，如今各大芯片生產(chǎn)商普遍采用多電源供電技術，如該電路使用的DSP芯片TMS320F28335工作于150MHz頻率時需要內(nèi)核電壓1.9V，IO電壓為3.3V。此外系統(tǒng)的上電順序對系統(tǒng)的影響較大，也是一個需要考慮的問題，一般要求1.9V先于3.3V或同時上電［8］。因此，本文采用TPS767D301對DSP芯片電源進行管理。TPS767D301是TI公司推出的一款雙路低壓差電源調(diào)整器，具有單獨供電的雙路輸出，一路固定輸出電壓為3.3V，另一路輸出電壓可以調(diào)節(jié)，范圍是1.5V～5.5V，兩路調(diào)整器有各自的使能管腳，可單獨供電，并分別輸出，亦可一起供電。這些特點均與TMS320F28335的要求相符，采用TPS767D301給TMS320F28335供電的方案如圖 8所示［9］，其中VDDIO為IO電壓，VDD為內(nèi)核電壓，通過兩個電位器調(diào)節(jié)大小，復位引腳28接高電平，并可通過按鍵控制復位，此復位信號亦連接至DSP的復位管腳，即按下按鍵后供電芯片和DSP均復位。

3.2.4 電機控制

電機控制采用LMD18200芯片，該芯片通過PWM、DIR、EN三個引腳端口的輸入控制電機的轉向和轉速，通過OUT1和OUT2兩個輸出端口直接驅動電機。PWM、DIR、EN三個端口電平與電機正反轉的關系如表2所示。其中H表示高電平，L表示低電平，X表示任意電平。

將PWM端置為高電平，DIR和EN信號由DSP芯片經(jīng)總線收發(fā)器54LS245和數(shù)字隔離器ADUM1400BRW輸入，DIR端輸入的PWM波通過不同的占空比控制電機的轉速［10］，如圖9所示。

表2 LMD18200引腳邏輯與電機轉向關系

圖9 LMD18200電機驅動電路

3.2.5 光柵信號采集

圖10 SN75175差動接收器電路

光柵輸出 RESR_A+、RESR_A-、RESR_B+、RESR_B-、RESR_I+、RESR_I-六路差分脈沖信號，經(jīng)差動線路接收器SN75175接收，10位雙向總線開關芯片74CBTD3384進行5V到3.3V的電平轉換后分別為EQEP1A、EQEP1B、EQEP1I三路脈沖輸入DSP芯片。其中EQEP1A和EQEP1B相位差為90°，兩者相位關系決定電機旋轉的方向信息，配合定時器/計數(shù)器可得到電機的轉速，EQEP1I用于標記初始位置。光柵信號接收如圖10所示。

4 計算機板電路設計

4.1 總體設計

計算機板主要由兩塊DSP芯片組成，分別為預處理計算機DSP_B和導航計算機DSP_C，其結構如圖11所示，其中曲線框內(nèi)為計算機板。

圖11 計算機板結構

CPLD脈沖計數(shù)單元通過軟件編程的方式實現(xiàn)對陀螺和加速度計輸出脈沖的計數(shù)。DSP_B是整個系統(tǒng)的主計算機，將采集到的陀螺和加速度計信號進行誤差補償，將坐標分解結果以及檢測到的系統(tǒng)故障傳給DSP_C，此外DSP_B通過CAN總線接收來自DSP_A的電機轉角和電源檢測信號。DSP_C完成導航解算，并將解算結果和DSP_B送來的故障信息傳給上位機顯示，同時可接收外部GPS信號，根據(jù)控制指令實現(xiàn)慣性/GPS組合導航。DSP_B電源和DSP_C電源分別為DSP_B和DSP_C設計了供電方案。溫度采集單元采集加速度計和陀螺溫度信號。晶振為芯片提供時鐘信號。

其中DSP芯片間的CAN總線通信以及DSP芯片的供電方案前文已經(jīng)闡述，不再贅述。

圖12 MAX3223用于TTL與RS-232電平轉換

DSP_C與顯控部件、GPS板通過RS-232串行接口實現(xiàn)通信，芯片的TTL電平到RS-232電平轉換采用MAX3223芯片實現(xiàn)，如圖12所示。

4.2 CPLD脈沖計數(shù)

本文采用Altera公司開發(fā)的CPLD芯片EPM1270實現(xiàn)對陀螺和加速度計的脈沖計數(shù)，它具有編程靈活、運行速度快、設計開發(fā)周期短等特點［11］。

脈沖計數(shù)單元接收來自I/F轉換板的加速度計脈沖和來自陀螺直接輸出的脈沖，由10位雙向總線開關芯片74CBTD3384進行5V到3.3V的電平轉換，通過EPM1270編程實現(xiàn)信號的脈沖計數(shù)，而后進入DSP_B進行數(shù)據(jù)處理。EPM1270的內(nèi)核電源和IO電源由AMS1117-3.3穩(wěn)壓器提供，時鐘頻率由外部30MHz晶振提供。

4.3 溫度采集

圖13 加速度計溫度信號AD轉換電路

溫度采集單元用于采集陀螺和加速度計的溫度信號。其中陀螺溫度為數(shù)字信號，可直接進入計算機處理，加速度計的溫度為電流信號，需進行A/D轉換，采集的電流信號經(jīng)精密電阻轉換成電壓信號，而后經(jīng)AD8221BR儀表放大器放大后由AD7738進行A/D轉換［12］，由AD780BR為其提供2.5V參考電壓，6.144M晶振為其提供時鐘頻率。加速度計溫度信號A/D轉換電路如圖13所示。

5 結語

本文基于慣性導航及電路原理，設計了單軸旋轉調(diào)制光纖陀螺慣導系統(tǒng)的硬件結構及電路，重點闡述了系統(tǒng)中電源/電機控制板和計算機板電路的設計，實現(xiàn)了慣導系統(tǒng)陀螺和加速度計的脈沖計數(shù)，溫度信號采集，導航解算和旋轉機構的控制。