国产FPGA助力激光陀螺系统（一）激光陀螺的数字信号处理与角度解调

 

背景介绍

1、激光陀螺的原理和应用领域：
 

激光陀螺是一种基于Sagnac效应的光机电一体化的高精度角速率传感器，根据应用场景不同，分为大型激光陀螺和小型激光陀螺。

大型激光陀螺主要用于监测地球参数的大型传感器，用于测地学、旋转地震学、基础物理等基础科学的研究。
 

 

 

 

2、激光陀螺的系统组成如下：
 

激光陀螺仪构成主体分为四部分：激光陀螺光学模块，电学模块，高压电源供电模块以及通信模块。其中，激光陀螺光学模块由偏频机构、点火机构、环形激光器、腔长调节机构、合光棱镜、光电二极管等组成。电学模块包括前置放大电路、信号解调电路、稳频电路等，前置放大电路由模拟放大器实现对光电二极管输出微弱电信号的放大，稳频电路为解决激光器输出腔体中心频率随温度发生频移的问题，信号解调电路由AD，以及数字信号处理算法等实现。高压电源为点火机构提供高压供电。最后，角度数据通过通信接口输出给其他模块的数据交互。其工作原理框图如下所示：

图 激光陀螺工作原理框图

3、激光陀螺的信号处理关键器件：

激光陀螺硬件系统上主要包括激光陀螺传感器、互阻放大器、比较器、电平转换器、数字隔离器、耦合器和信号处理器。

 

图 激光陀螺信号处理系统框图

基于亿海神针系列FPGA应用案例（一）

激光陀螺的数字信号处理与角度解调

在激光陀螺系统中，可以使用FPGA实现区分激光陀螺的正反转、输出脉冲计数、倍频，使用FPGA实现倍频、滤波以提高激光陀螺测量精度。同时，FPGA也可以使用一定的算法解决系统的温漂、校准问题。在FPGA内部也可以实现为激光陀螺的测量数据与其他模组、系统的交互，常使用RS485、RS422、RS232等传输协议。 
 

中科亿海微亿海神针系列FPGA，逻辑资源覆盖9K~130K，可以用于实现激光陀螺的信号处理，角度解调以及数据角度传输等功能。

优势：

1、 FPGA的并行处理能力可以提高激光陀螺信号的处理，角速度解调和传输的实时性；2 、FPGA内部丰富的逻辑资源以及良好的温度特性、功耗等级可以满足激光陀螺在不同的工作环境下的高精度测量。

 

 

 

推荐器件

亿海神针系列 EQ6HL45型、EQ6HL45S F1型、EQ6HL45S M1型

 

根据实际系统而定，如果有已选定的AD/DA器件，推荐使用EQ6HL45型，EQ6HL45S F1型（内部集成flash）器件。如果有更高的集成化要求推荐EQ6HL45S M1型器件，将三路AD/DA、flash、RS422以及两路差分运放等集成到一个芯片中，集成度更高，性能更好，有利于产品的小型化。

 

1、EQ6HL45型FPGA
 

 

逻辑规模（万门）：425；

存储单元（M4K）：392；

锁相环PLL/全局时钟：8/16；

最大可编程用户I/O：232；

最宽温度范围：-55℃~125℃；

封装形式：CSG225/FTG256/CSG324。

 

2、EQ6HL45S F1型系统级芯片

 

逻辑规模（万门）：425；

存储单元（M4K）：392；

锁相环PLL/全局时钟：8/16；

最大可编程用户I/O：152；

最宽温度范围：-55℃~125℃；

Flash：32Mb；

封装形式：CSG225。

 

3、EQ6HL45S M1型系统级芯片

 

逻辑规模（万门）：425；

存储单元（M4K）：392；

锁相环PLL/全局时钟：8/16；

最大可编程用户I/O：127；

最宽温度范围：-40℃~100℃；

Flash：64Mb；

封装形式：CSG400；

ADC参数：

3通道；模拟信号输入范围1Vp-p~2Vp-p；最高更新频率80MSPS；转换精度14位。

DAC参数：

3通道；差分电流输出2mA到20mA；最高更新频率125MSPS；转换精度14位。