激光陀螺捷联惯导系统数据采集电路的分析与实现

论文摘要

激光陀螺捷联惯导系统是当今惯导系统发展的主要方向之一,有极大的研究价值和广阔的应用前景。由于计算机嵌入式技术及数字信号处理技术的发展,为激光陀螺抖动解调提供了新的思路和方法,本课题就是利用新技术来研究如何为导航解算提供高质量的惯性测量数据。本文首先分析了激光陀螺的工作原理,由于闭锁误差对激光陀螺的影响,采取抖动偏频的措施来减小闭锁误差,这样也必然引入机械抖动信号,就必须对激光陀螺输出的原始数据中抖动引起的高频振动进行消除。本文采用数字滤波的方法,来消除机抖陀螺的机械抖动及其他因素引起的高频测量噪声。由于FIR滤波器可以满足系统对幅度和相位特性的严格要求,避免模拟滤波器的温漂和随机噪声等问题,所以本文选用FIR滤波器来滤除机抖和一些干扰信号。采用DA算法,DA算法就是将乘法运算转换成基于查找表结构,并且高效地实现多个乘法运算操作,在速度和资源占用上都有比利用乘法器结构设计FIR滤波器不可比拟的优势。数据采集电路中用到的计数器、锁存器、滤波器等主要功能电路和数字信号处理算法均在FPGA内实现,本文在设计过程中遵守FPGA设计的指导原则,力求达到工作频率和使用面积上的最优。本文采用PC/104系统作为控制模块,编写了其在DOS操作系统下的驱动程序,通过中断方式对数据进行输出显示。为了进一步验证采集电路的正确性,对惯导系统进行了静态实验,并对陀螺的数据进行功率谱密度分析,进一步证明了本采集电路系统的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 激光陀螺捷联惯导系统概述
• 1.1.1 激光陀螺的发展与应用
• 1.1.2 捷联惯性导航系统及其发展
• 1.1.3 激光陀螺捷联惯导系统组成
• 1.2 数据采集电路的研究现状
• 1.3 课题研究的意义
• 1.4 论文的主要工作和结构安排
• 第2章 激光陀螺原理及信号处理方法研究
• 2.1 激光陀螺原理的简要介绍
• 2.1.1 激光陀螺的工作原理
• 2.1.2 激光陀螺的闭锁效应与抖动偏频
• 2.2 激光陀螺捷联惯导系统输出信号的简要介绍
• 2.3 激光陀螺信号的采集方法
• 2.3.1 整周期计数
• 2.3.2 数字滤波
• 2.3.3 整周期计数与数字滤波的比较
• 2.4 本章小结
• 第3章 FIR滤波器的设计
• 3.1 FIR相关理论
• 3.1.1 FIR滤波器的特点
• 3.1.2 线性相位的FIR滤波器
• 3.1.3 低通滤波器的技术指标
• 3.2 滤波器的算法
• 3.2.1 MAC法
• 3.2.2 分布式算法
• 3.2.3 改进的分布式算法
• 3.3 FIR低通滤波器设计
• 3.3.1 FIR滤波器的设计方法
• 3.3.2 使用MATLAB设计FIR滤波器
• 3.3.3 系数的量化
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于FPGA的数据采集电路的实现
• 4.1 FPGA技术简介
• 4.1.1 FPGA的结构与设计指导原则
• 4.1.2 基于 HDL的 FPGA设计流程
• 4.2 整周期计数在 FPGA中的实现
• 4.3 数字滤波方法在 FPGA中的实现
• 4.3.1 整体方案
• 4.3.2 可逆计数模块
• 4.3.3 FIR滤波模块
• 4.3.4 顶层模块的设计
• 4.4 系统优化
• 4.4.1 约束对综合/布局布线的影响
• 4.4.2 静态时序分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 整体设计与验证
• 5.1 PC/104系统下的采集程序设计
• 5.1.1 PC/104简介
• 5.1.2 采集程序设计
• 5.2 电路板的设计
• 5.3 实验与结果分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录 A 采集卡硬件原理图
• 附录 B 采集卡 PCB图
• 附录 C 采集卡实物图