Nios II實現(xiàn)二頻機抖陀螺工作電路設計

激光陀螺的工作原理是Sagnac效應，與傳統(tǒng)的機械陀螺相比，激光陀螺具有精度高、耐環(huán)境性能好、動態(tài)性能好、啟動時間短、壽命長及數(shù)字式輸出等特點，是捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)的理想元件。

　　二頻機抖陀螺工作電路包括高壓電源、抖動驅動與噪聲注入、穩(wěn)頻和信號解調等部分。系統(tǒng)設計以軟核處理器為核心.實時控制穩(wěn)頻、抖動驅動與噪聲注入和高壓電源等單元，并實現(xiàn)陀螺讀取信號的鑒相解調與數(shù)字濾波。

　　Nios II是Altera開發(fā)的嵌入式軟核處理器，采用RISC精簡指令集，具有外設可定制、可裁剪性等優(yōu)點，可方便嵌入Cvclone及Stratix系列 FPGA。陀螺信號處理系統(tǒng)中需要多種定制化的外設，而一般處理器無法滿足這種要求，因此NiosⅡ軟核處理器是處理激光陀螺陀螺信號的理想選擇。

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　　2 系統(tǒng)結構設計

　　圖1為系統(tǒng)的功能原理框圖。圖中A、B為光電轉換器接收的拍頻信號過零比較后產(chǎn)生的方波信號，這兩路方波信號經(jīng)跳變檢測和鑒相后產(chǎn)生跳變脈沖和方向信號?？赡嬗嫈?shù)器根據(jù)方向信號對脈沖進行可逆計數(shù)，而和頻計數(shù)器仍對脈沖進行正向計數(shù)。低通濾波器對可逆計數(shù)器的計數(shù)值進行濾波，并將濾波值輸入到處理器。UART1和上位機通訊，而UART2和UART3分別與穩(wěn)頻和抖動電路通訊，以控制穩(wěn)頻和抖動參數(shù)。2個SPI接口分別控制A/D轉換和D/A轉換的部分。

　　考慮到系統(tǒng)資源要求，F(xiàn)PGA采用Altera公司生產(chǎn)的EP2C200240C8，它屬于Cyclone II系列，其內(nèi)部資源主要有：多達兩萬個邏輯處理單元(LE);52個M4K模塊，總共26 KB的片內(nèi)RAM;26個18×18硬件乘法器;4個全局時鐘鎖相環(huán);多達142個外部引腳。系統(tǒng)選用快速型Nios II處理器，處理器占用3 000多個邏輯處理單元，工作時鐘為100 MHz。由于系統(tǒng)處理器程序運行在SDRAM中，所以在構建系統(tǒng)時要添加SDRAM控制器，SDRAM使用HY57V283220，其存儲空間為16 M字節(jié)，完全能夠滿足處理器實際需求。處理器程序固件和FPGA的配置信息存儲在EPCS串行配置器件中，這樣可減少一片外置Flash。因為程序從 EPCS啟動，所以在SoPC設計時添加外設EPCS控制器以引導程序的初始運行。

　　3 信號濾波實現(xiàn)

　　激光陀螺的讀取信號是由兩個光電管經(jīng)光電轉換后產(chǎn)生的，工藝上要保證兩個光電管的拍頻相位相差90°，這樣便于在信號處理時進行相位檢測。為了盡量減小鎖區(qū)帶來的誤差，一般在陀螺中加入一個正負交變的正弦偏頻信號：

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　　為了有效提取信號，通常是對可逆計數(shù)器的計數(shù)值(即式(3)的積分值)進行濾波。