摘 要

光纤陀螺仪于19世纪70年代开始研制，80年代早期进入实用，应用非常广泛。光纤陀螺仪不仅是航天器自主导航实现的关键设备与单元，还可在工程测量领域，用于实现对工程结构的快速、密集的表面变形监测。而变形测量基于的是光纤陀螺仪的轨迹测量功能，对数据的实时性有着很高的要求。本文针对陀螺仪采集高频信号的特点，提出了一种基于FPGA的高速数据采集系统实现方案，并完成了该系统的设计与仿真调试。

该数据采集系统通过FPGA驱动多路高速ADC，利用时分多路复用技术进一步提高了采样速度。与传统的数据采集方案相比，芯片成本更低，采集效率更高。

本文首先从需求分析的角度，提出整个系统的技术指标、总体设计方案和系统设计过程中需要用到的技术手段。确定选用Xilinx的FPGA芯片XC6SLX9-2FTG256C后，系统被划分为时钟，数据采集和存储三个关键模块。其中，数据采集模块采用4片ADS1246芯片实现。该芯片实时采样率最高可达2Ksps，分辨率24位，结合与之相适应的FPGA系统时钟，保证了性能良好的采样功能；时钟模块和存储模块可以通过调用FPGA内部相应的IP核实现。

整个系统的设计是在Altera公司旗下的Quartus II 15.0开发环境中完成的，利用Modlesim-altera对系统进行仿真测试，验证了设计方案的可行性与性能。

经过测试，本数据采集系统实现了时分多路复用采样的技术方案，其理论最高采样率可达8Ksps，基本达到设计预期的技术指标。

关键词：光纤陀螺仪；高速数据采集；时分多路复用；FPGA

Abstract

Fiber optic gyroscopes began to be developed in the 1970s and entered practical use in the early 1980s, and are widely used. Fiber optic gyroscope is not only the key equipment and unit for spacecraft autonomous navigation. It can also be used in the field of engineering measurement to achieve rapid and intensive surface deformation monitoring of engineering structures. The deformation measurement is based on the trajectory measurement function of the fiber optic gyroscope, which has high requirements for real-time calculation. According to the characteristics of gyro collecting high-frequency signals, an implementation scheme of FPGA-based high-speed data acquisition system is proposed, and the design, simulation and debugging of the system are completed.

This data acquisition system uses a high-speed ADC to achieve time-sharing and high-speed sampling through multiplexing. Compared with traditional data collection solutions, the chip cost is lower and the collection efficiency is higher.

This article firstly puts forward the technical indicators, overall design schemes and technical methods needed in the system design process from the perspective of demand analysis. After confirming that the Xilinx's FPGA chip XC6SLX9-2FTG256C is selected, the system is divided into three key modules: clock, data acquisition and storage. Among them, the data acquisition module is implemented with 4 ADS1246 chips. The chip's real-time sampling rate is up to 2Ksps, the resolution is 24 bits, and the FPGA system clock suitable for it is combined to ensure a good performance sampling function; the clock module and the storage module can be realized by calling the corresponding IP core inside the FPGA.

The design of the entire system was completed in the Quartus II 15.0 development environment of Altera Corporation. The system was simulated and tested using Modlesim-altera to verify the feasibility and performance of the design scheme.

After testing, this data acquisition system has realized the technical solution of multiplexing time-sharing sampling, and its theoretical maximum sampling rate can reach 8Ksps, which basically meets the technical indicators expected by the design.

Keyword：Fiber optic gyroscopes；high-speed data acquisition；Multiplex time-division sampling；FPGA

目 录

第1章 绪论 1

1.1论文研究的目的和意义 1

1.2国内外的研究现状分析 1

1.2.1 光纤陀螺仪的研究现状 1

1.2.2 高速数据采集系统的研究现状 2

1.3 论文研究的基本内容、目标 3

第2章 光纤陀螺数据采集系统总体设计方案 4

2.1 光纤陀螺仪 4

2.1.1 光纤陀螺仪工作原理 4

2.1.2 TX70MG陀螺通讯协议 4

2.2 系统总体设计方案 7

2.3 系统设计采用的技术手段 8

2.3.1 FPGA技术 8

2.3.2 时分多路复用技术 9

第3章 FPGA开发工具与存储模块的设计 10

3.1 FPGA开发工具介绍 10

3.1.1 Quartus II 15.0开发软件介绍 10

3.1.2 AX309开发板及FPGA芯片选型 11

3.2 存储模块设计 12

3.2.1 FPGA调用IP核 12

3.2.2 定制ram实现 13

3.2.3 存储模块电路的程序设计 14

第4章 数据采集模块的设计 17

4.1 数据采集模块工作原理 17

4.1.1 ADS1246芯片介绍 17

4.1.2 ADS1246芯片的采样时序 19

4.1.3 ADS1246的采样控制引脚DRDY 20

4.2 数据采集电路的程序设计 21

第5章 时钟模块的设计 26

5.1 FPGA中时钟信号的概念 26

5.1.1 时钟信号的作用 26

5.1.2 时钟抖动对系统的影响 27

5.2 时钟模块设计 28

5.2.1 PLL锁相环的工作原理 28

5.2.2 定制PLL实现 29

5.2.3 时钟模块电路设计 30

第6章 系统仿真测试 32

6.1 分模块仿真 32

6.1.1 时钟模块仿真 33

6.1.2 数据采集模块仿真 34

6.1.3 存储模块仿真 35

6.2 系统联调功能测试 36

6.2.1 时分多路复用采样的实现 37

6.2.2 采集数据正确性验证 38

6.2.3 采样率2Ksps验证 40

总结与展望 41

参考文献 42

致谢 44

第1章 绪论

1.1论文研究的目的和意义

光纤陀螺仪（Fiber-optic Gyroscope，FOG）于19世纪70年代开始研制，80年代早期进入实用，应用非常广泛。随着光纤技术和计算机的发展和应用，FOG正在逐步取代一些导航系统以及传统的机械陀螺仪，占据控制和惯性导航领域。FOG结构完整且活动摩擦少，相较于机械陀螺仪，拥有更强的抗冲击性和更长的使用寿命；可以快速启动，节省预热时间；可进行大范围的动态测量，规避掉了许多系统误差。FOG体积小而灵活，相较于激光陀螺仪，还能消除源自闭锁的负面影响。

FOG不仅是航天器自主导航实现的关键设备与单元，它也可被用于工程测量领域，以实现对工程结构的快速，密集的表面变形监测。而变形测量基于FOG的轨迹测量功能，对实时计算有很高的要求。在进行桥梁结构线形测量时，传统方法采用全站仪、经纬仪、水准仪^[2]等工程测量仪器，测量速度慢、效率低；而采用FOG进行线性测量，数据输出频率达到300Hz；对于 100m的标定路段，检测精度可以达到5mm；对于跨径为400m的跨江大桥，检测精度可以达到 2 cm^[1]。这对其内部的数据采集系统的采样速度和精度提出了要求。

因此，用于高速数据采集和存储的实时测量模块是FOG的关键组件之一。数据采集系统始于1950年代的美国，最初用于军事测试系统。伴随微型计算机的普及发展，人们日常生活离不开的通信、交通、气象等领域的数据和信息已经爆炸式增长。采用传统DSP处理系统实现数据采集和存储，存在一些弊端，如受采样频率限制，处理的频率范围有限；受硬件影响，限制了串行命令，处理速度慢。因为包含海量的RAM资源和数字信号处理器件，愈来愈多的数据处理项目开始采用FPGA技术。FPGA具有更高的数据读写速率和储存容量，适用于本系统的功能实现。

1.2国内外的研究现状分析

1.2.1 光纤陀螺仪的研究现状

当前已经批量生产的FOG，更易上手学习和操控；但是系统温漂和噪声往往伴随对温度的较大灵敏度而产生。 FOG输出信号受其内部结构，外部环境和信号采样条件的影响，在实际使用中通常会伴随大量随机噪声和异常采样值。