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如何实现光纤陀螺惯导系统FPGA接口的设计
刘艳
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采用光纤陀螺的捷联惯性导航系统是一种极具发展潜力的导航系统，对于其核心部件的光纤陀螺，尤其是中高精度光纤陀螺，环境温度带来的漂移是不容忽视的，因此对系统进行温度控制很有必要。温度控制电路是整个温控系统的硬件基础，其中涉及到温度采集，与微处理器通信，串口输出，控制数模转换芯片等多个组成部分。本文提出一种高效实用的 FPGA 接口设计，它能够完成协调各个组成部分有序工作，准确、快速实现数据传输，严格控制信号时序等工作。
温控电路整体结构
温控电路的整体结构框图如图 1 所示。其中包括七路温度传感器，DSP， 232 接口芯片，DAC ，后端控制电路，上位机和 FPGA 等多个组成部分。FPGA 接口是整个电路的核心。 其中，温度传感器采用 DALLAS 公司的 DS18B20，它采用 1-wire 总线协议，仅需 1 根数据线进行通信。DSP 采用 TI 公司的 TMSVC33，它可以实现高速浮点运算。232 接口芯片采用 MAXIM 公司的 MAX3232，支持高达 120kbps 的传输速率。DAC 采用 TI 公司的 TLV5620I，它是通过 4 条串行信号控制的 8 位 4 路数模转换芯片。FPGA 选用 ALTERA 公司的 ACEX 系列的 EP1K100，它时钟频率高，具有丰富内部资源，提供大量可编程 IO 管脚，配置十分方便。基于 FPGA 的温控电路接口在整个电路中具有非常重要的作用。FPGA 本身的高速并行结构为整个电路的性能提供了可靠保证。 温控电路工作流程 温控电路的工作流程如图 2 所示。FPGA 与七路温度传感器通信，读取温度值，并存储于内部存储器中，每秒更新一次。FPGA 发送中断信号通知 DSP 读取 FPGA 中存储的温度值，DSP 根据当前温度值和控制算法计算出控制量。而后将温度值和控制量打包成一帧数据发送给 FPGA。FPGA 将 DSP 发送来的数据存储在内部存储器后，对数据进行操作，生成输出信号。FPGA 一方面将数据串行发送给 232 接口芯片，然后通过 232 串口发送给上位机。上位机可通过监视软件实时观测温度值和控制量的变化情况，方便系统调试与评估；另一方面从数据中提取出控制量，将其串行输出到 DAC，数字控制信号经过 DA 转换后输出模拟控制电压到后端控制电路，实现对七路温度的闭环控制。
采用光纤陀螺的捷联惯性导航系统是一种极具发展潜力的导航系统，对于其核心部件的光纤陀螺，尤其是中高精度光纤陀螺，环境温度带来的漂移是不容忽视的，因此对系统进行温度控制很有必要。温度控制电路是整个温控系统的硬件基础，其中涉及到温度采集，与微处理器通信，串口输出，控制数模转换芯片等多个组成部分。本文提出一种高效实用的 FPGA 接口设计，它能够完成协调各个组成部分有序工作，准确、快速实现数据传输，严格控制信号时序等工作。
温控电路的整体结构框图如图 1 所示。其中包括七路温度传感器，DSP， 232 接口芯片，DAC ，后端控制电路，上位机和 FPGA 等多个组成部分。FPGA 接口是整个电路的核心。 其中，温度传感器采用 DALLAS 公司的 DS18B20，它采用 1-wire 总线协议，仅需 1 根数据线进行通信。DSP 采用 TI 公司的 TMSVC33，它可以实现高速浮点运算。232 接口芯片采用 MAXIM 公司的 MAX3232，支持高达 120kbps 的传输速率。DAC 采用 TI 公司的 TLV5620I，它是通过 4 条串行信号控制的 8 位 4 路数模转换芯片。FPGA 选用 ALTERA 公司的 ACEX 系列的 EP1K100，它时钟频率高，具有丰富内部资源，提供大量可编程 IO 管脚，配置十分方便。基于 FPGA 的温控电路接口在整个电路中具有非常重要的作用。FPGA 本身的高速并行结构为整个电路的性能提供了可靠保证。 温控电路工作流程 温控电路的工作流程如图 2 所示。FPGA 与七路温度传感器通信，读取温度值，并存储于内部存储器中，每秒更新一次。FPGA 发送中断信号通知 DSP 读取 FPGA 中存储的温度值，DSP 根据当前温度值和控制算法计算出控制量。而后将温度值和控制量打包成一帧数据发送给 FPGA。FPGA 将 DSP 发送来的数据存储在内部存储器后，对数据进行操作，生成输出信号。FPGA 一方面将数据串行发送给 232 接口芯片，然后通过 232 串口发送给上位机。上位机可通过监视软件实时观测温度值和控制量的变化情况，方便系统调试与评估；另一方面从数据中提取出控制量，将其串行输出到 DAC，数字控制信号经过 DA 转换后输出模拟控制电压到后端控制电路，实现对七路温度的闭环控制。
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