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威廉希尔官方网站 、信号解调威廉希尔官方网站 、稳频威廉希尔官方网站 等，前置放大威廉希尔官方网站 由模拟放大器实现对光电二极管输出微弱电信号的放大，稳频威廉希尔官方网站 为解决激光器输出腔体中心频率随温度发生频移的问题，信号解调威廉希尔官方网站 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。