如何使用FPGA实现多陀螺智能测量装置的研制设计

　　陀螺仪是一种敏感角速率或角位移的传感器 由陀螺仪组成的惯性系统具有自主隐蔽实时等特点因此在包括卫星的现代航天领域中成为不可缺少的重要组成部分根据我国十五预研及后续卫星控制系统高精度长寿命和高可靠性的发展目标 上海航天812 所提出了研制多陀螺智能测量装置的任务以便研究精度更高寿命更长的卫星姿态测量敏感器

　　为了实现长寿命和高可靠性的要求 姿态测量用惯性组合由3 个动力调谐陀螺仪组成按需要控制和切换3 个陀螺仪的工作状态为了提高陀螺仪的精度需要对陀螺内部温度进行测量用于温控或对陀螺温度漂移进行补偿因此本文的任务就是针对一个由3 个动力调谐陀螺仪组成的惯性组合完成其脉冲计数温度测量数据处理信号控制通信等功能

　　由此可见 本文可归结为对一个电子系统的研制经过任务综合根据要求的系统功能及技术指标所研制的多陀螺智能测量装置主要由以下部分组成

　　1. CPU 部分使用16 位单片机负责电路的逻辑控制完成陀螺仪的信号处理与控制以及与星载计算机的通讯等工作

　　2. 脉冲计数及外围电路使用现场可编程门阵列器件FPGA 完成脉冲计数状态信号和控制信号的输入输出以及地址编码等工作

　　3. 陀螺内部温度测量用电桥法或外加恒流源的方法通过测量热敏电阻的阻值来获得陀螺的温度

　　本文的研究工作主要是进行多陀螺智能测量装置的设计 研制和系统调试在设计中采用了 16 位单片机与FPGA 组合技术充分利用16 位单片机丰富的寄存器结构和高效率的指令系统FPGA 设计中用硬件描述语言VHDL 编写程序采用自顶向下的设计思想和层次化设计结构对系统目标的逻辑行为进行描述集成了大部分逻辑电路包括6 路16 位可逆脉冲计数电路译码电路单片机输入输出的扩展接口等功能此外根据陀螺测温精度高范围大的要求研制了分档电桥测量电路研究了一种简单可行的多档电桥电路标校方法有效解决了档位交叉和非线性问题为了便于系统调试还设计开发了一套可视化应用软件以模拟陀螺输出参数直观显示试验状态和结果多陀螺智能测量装置业已研制完成 经多次重复模拟测试装置的性能满足设计要求