基于MCU+FPGA的光纤敏感环本征频率检测仪设计*

潘 良，王晓章，李 晓，张 辉

(西安现代控制技术研究所，西安 710065)

0 引言

陀螺仪是惯性系统的核心部件，用于敏感载体相对惯性空间的角运动。而光纤敏感环是陀螺仪的核心部件，其属性决定了光纤陀螺具有体积小、质量轻、动态范围大、耐冲击等特点[1-2]。目前光纤敏感环在装配、调试前要进行本征频率的检测，以确保敏感环的调制功能正常并准确给出本征频率参数。传统的本征频率测试要用到信号发生器、光源、电源及示波器等设备，需要手动调试信号发生器的输出频率使得探测器输出信号的“尖峰脉冲”最窄，以此时刻信号发生器的输出频率作为光纤敏感环的本征频率[3]。测试过程繁琐且误差大。因此，文中以某中精度光纤陀螺为背景，设计了一种基于MCU+FPGA能快速准确输出本征频率的检测系统。

1 系统构成

为了实现本征频率自动检测，光纤敏感环本征频率检测仪应当具备以下功能和特点：要快速且准确输出本征频率；要有简洁明了的显示界面；要有光路的对外接口，避免复杂的光路熔接，整个检测过程简单易行。

依据本征频率检测仪要实现的功能，设计的检测仪，以C8051F340 MCU和Xilinx XC6SLX16-3FTG256I FPAGA为核心搭建硬件平台，采用keil4和ISE14.2开发工具实现嵌入式软件开发。检测仪主要包括光源、光电探测器、驱动恒流电路、运算放大电路、信息处理电路、串口工业屏组成，如图1所示。主信息电路基于MCU和FPGA的架构，其中FPGA主要负责时序控制、信号的调制、数字运算和解调，并输出精确的光纤敏感环本征频率，MCU主要用来驱动串口工业屏显示输出的本征频率。

图1 本征频率检测仪系统组成

2 硬件设计

为了保证光纤敏感环本征频率检测仪的便携性，检测仪将光路、电路封装起来，并留有光路和电路对外接口。

2.1 光路设计

光路由SLD光源、光纤耦合器、光电探测器组成，将耦合器的出光端封装成ST接口，并紧固在具有低损耗的法兰上。该光路并非一个闭合回路，需通过法兰接口和待测敏感环组件的Y波导单根纤连接，完成整个系统的光路闭合。

2.2 电路设计

电路的核心由模数转换器(ADC)、数字逻辑电路、数模转换器(DAC)、串口芯片、LCD及其驱动电路构成，其中ADC时钟频率不大于ADC芯片的最高频率40 MHz，DAC转换器的最高频率不得高于10 MHz，框图如图2所示。

图2 硬件组成框图

将DAC后端的光电相位调制线封装成鳄鱼夹形式，便于和待测敏感环的Y波导调制线连接。当光路和电路闭合后，干涉后的光信号经过光电探测器转换为电信号，该信号经过放大后进入ADC，并在数字逻辑电路内由数字解调器调制、解调，获得闭环补偿后的调制频率和真实本征频率的误差信号，该信号经过数字积分后就可以得到真实本征频率。

系统采用128×160的STN LCD,用以显示敏感环的本征频率，该显示屏操作简单，工作可靠。

3 软件设计

硬件是系统功能实现的基础和平台，软件则是系统功能实现的关键和核心[4]。本系统软件包括FPGA主控软件和MCU软件，其中主控软件采用Verilog HDL语言，MCU软件采用C语言。文中重点介绍FPGA主控软件的设计。软件主要包括系统时序控制、调制、解调和通信等模块。

3.1 时序控制

时序控制是利用时钟管理系统(DCM)对外部晶振时钟进行倍频、分频处理，生成ADC时钟。以ADC工作时钟为基准频率，将本征频率闭环算法所必需的操作，进行时序化处理，以两级状态转移电路为基础，构建安全状态机，依次触发包括：AD采集时序、信号调制/解调时序、闭环控制时序、信号输出时序等时序逻辑电路描述。

3.2 信号调制

对待测敏感环相位调制端施加调制电压信号Vm(t),Vm(t)由调制电压幅值为Vb(t)的方波信号和较Vb(t)相位延迟T/2的幅值为Vs(t)的方波信号叠加而成，且4Vs(t)≈Vb(t)，其表达式为：

Vm(t)=

(1)

式中：N=0,1,2,…，n；T为初始施加在敏感环上调制电压Vb(t)时间半周期[5]。

Φb(t)、Φs(t)和Φm(t)分别是对应Vb(t)、Vs(t)和Vm(t)的调制光相位。τ为真实的光在敏感环中传输的时间，称为渡越时间，(2τ)-1就是光纤敏感环的本征频率，是需要被检测的物理量。

由于存在时延τ，加载在两束相向传播光波上产生的调制相位差为：ΔΦ(t)=Φm(t)-Φm(t-τ)。当初始调制频率和本征频率不同时(T≠τ)，则调制相位、调制相位差的时序关系如图3、图4所示。其中图3为τT时，各光相位的叠加及相位差的波形图。其中图3(a)、图3(b)、图4(a)、图4(b)为方波相位波形图；图3(c)、图4(c)为叠加方波相位波形图，图3(d)、图4(d)为叠加方波相位延τ波形图，图3(e)、图4(e)为干涉点处相位差波形图。

图3 τ

图4 τ

从图3、图4的ΔΦ(t)可以看出，干涉点处的相位差在渡越时间τ的正负半周期中心位置[5]有一个不对称的相位差。

3.3 信号解调

由于光相位信号很难直接测量，需先用探测器测量出光功率，然后通过算法间接解调出光相位差，干涉点处的光强变化如图5、图6所示[6]，其中图5为τT时，相位差和光强分布波形图。τ>T和τT梳状波视为τT时梳状波等效于τ

图5 τ

图6 τ

对光强信号进行采集，并对方波正半周期前(1/4)T和后(1/4)T内的信号进行累加求和，然后减去负半周期前(1/4)T和后(1/4)T内的信号累加和，如图7所示，从而得到转速的解调结果[7]，其表达式为：

D1=η(cos(Φb(t)+Φsac(t))-

cos(-Φb(t)+Φsac(t)))

(2)

式中：η为解调相关系数，其大小与电路系统的各部分参数相关，与解调时的累加数有关；Φsac(t)为由转速引起的Sagnac相位差，因为地球时刻转动，所以该相位差始终存在。同样的，对光强信号进行采集，并对方波正半周期中间(1/4)T的信号进行累加，然后减去负半周期中间(1/4)T内的信号累加，从而得到因T≠τ而引起的误差解调结果，其表达式为：

D2=η(cos(Φb(t)-Φs(t)+Φsac(t))-

(3)

式中：γ为解调相关系数；fe为初始调制频率；Δf为真实本征频率和初始调制频率之差。因此，解调结果D2可以近似为一个与频率误差量Δf成线性关系的量。通过第一个转速闭环反馈，使D1=0，保持光功率平坦区正负半周期相同，通过第二个闭环反馈，使D2=0，则Δf此时接近于0，第二个闭环反馈的工作频率即是光纤敏感环的本征频率。

图7 A/D采样示意图

3.4 数据解析

数据解析的目的是将经解调获取的本征频率数字量按相应的协议进行处理，重建数据的物理意义。在实时采集的过程中，将解析的结果以文本形式显示在用户界面，该功能将在MCU模块中实现。

3.5 软件功能框图

软件具有严格的时序要求，选用FPGA来完成，功能框图如图8所示。采取双路闭环反馈算法，一路通过Y波导反馈转速使干涉光强平坦区相邻正负半周期功率相同，另一路通过反馈的频率误差解调值调整DCM的分频系数，最终得到所需的光纤敏感环本征频率。

图8 软件功能框图

4 实验与结果分析

图9 实测本征频率输出

5 结束语

提出了一种双闭环反馈算法，且软件设计中反馈频率是本征频率量级(kHz)，光纤敏感环本征频率测试仪具有响应速率快和精度高的特点。相较于传统的信号发生器改变输出频率方法，该检测仪能快速准确测量光纤敏感环的本征频率，还能为高精度光纤陀螺动态跟踪真实本征频率设计提供一定的借鉴。