基于FPGA的慣性平臺測試保護電路設(shè)計

毛端海，董金龍，龍 瓊

（1.第二炮兵工程大學(xué) 陜西 西安 710025；2.海軍兵種指揮學(xué)院 廣東 廣州 510430）

慣性平臺是導(dǎo)彈、航空飛機、運載火箭等飛行器中制導(dǎo)與控制系統(tǒng)中的核心部件，主要是為相關(guān)飛行器建立慣性空間的方位和姿態(tài)角基準[1]，包括陀螺儀、加速度計和伺服回路。陀螺儀測量飛行器相對慣性空間的角度、角速度，加速度計測量飛行器相對慣性空間的速度和加速度[2]。陀螺儀、加速度計能否正常工作直接關(guān)系著飛行器的可靠性。

慣性平臺失穩(wěn)倒臺、加速度計飛轉(zhuǎn)是慣性平臺測試和正常工作中應(yīng)重點防范的故障[3]。當外部環(huán)境過載或穩(wěn)定回路的某一環(huán)節(jié)發(fā)生故障時，可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定發(fā)散或開環(huán)，引起環(huán)架（常平架）伺服電機單向驅(qū)動，造成平臺環(huán)架從原來的穩(wěn)定位置向某一邊快速轉(zhuǎn)動倒下，由于慣性平臺上環(huán)架和陀螺具有的交耦性，在高速率的情況下，會引發(fā)其它各環(huán)架伺服回路的同時倒環(huán)，這就是所謂的慣性平臺失穩(wěn)倒臺。如果不及時切斷電源，會對慣性平臺上的慣性器件造成致命性損傷[4]。

加速度計飛轉(zhuǎn)主要是針對陀螺擺式加速度計，通常由于加速度計回路故障，或陀螺激磁電源異常，使得加速度計輸出的加速度明顯超出加速度計的正常測量值，則說明陀螺發(fā)生了飛轉(zhuǎn)，時間稍長會造成陀螺的嚴重磨損。

為防止慣性平臺倒臺、加速度計飛轉(zhuǎn)造成的巨大損失，通常在研制慣性平臺測試系統(tǒng)時，都會加入測試保護電路。相對于傳統(tǒng)的單片機電路，現(xiàn)場可編程門陣列FPGA具有集成度高、處理能力強、運行速度快、靈活可重配置、實驗風(fēng)險小等優(yōu)點[5]，在復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合某型平臺通用測試系統(tǒng)的研制，設(shè)計了基于FPGA慣性平臺測試的保護電路。

1 保護原理

平臺失穩(wěn)倒臺保護原理：對姿態(tài)角進行實時檢測，判斷短時間內(nèi)姿態(tài)角的變化率，即角加速度是否超過設(shè)定的閾值。若超出，則輸出保護信號，斷開平臺穩(wěn)定回路供電，從而實現(xiàn)倒臺保護。

加速度計防飛保護原理：利用計數(shù)器對加速度計輸出脈沖進行定時計數(shù)，并設(shè)定計數(shù)溢出值。如果加速度計工作正常，在規(guī)定時間內(nèi)計數(shù)便不會產(chǎn)生溢出；當加速度計出現(xiàn)飛轉(zhuǎn)時，輸出脈沖頻率將明顯增大，從而可能使計數(shù)器計滿溢出，F(xiàn)PGA響應(yīng)溢出信號，輸出保護信號，切斷加速度計回路供電，防止加速度計飛轉(zhuǎn)。

2 硬件設(shè)計

某型慣性平臺構(gòu)成包括3個動力調(diào)諧陀螺儀和2個撓性擺式陀螺加速度計、一個石英加速度計，其中石英加速度計不需要設(shè)計保護電路。平臺測試保護電路則對應(yīng)包括陀螺儀保護電路和加速度計保護電路。

2.1 陀螺儀保護電路

平臺輸出的X、Y、Z姿態(tài)角信號實際是以各自通道的開門脈沖、關(guān)門脈沖兩路信號輸出的。任一通道的保護電路如圖1所示。82C54的一個16位計數(shù)器即可滿足一個通道的姿態(tài)角計數(shù)[6]。

開關(guān)門信號經(jīng)異或門后，再與開門信號相與，作為82C54的GATE端信號。開門脈沖到來后，82C54計數(shù)器的GATE端變?yōu)楦唠娖剑?2C54計數(shù)器開始計數(shù)，關(guān)門脈沖到來后，82C54計數(shù)GATE端變?yōu)榈碗娖?，?2C54計數(shù)器停止計數(shù)，F(xiàn)PGA查詢到該通道計數(shù)結(jié)束后，讀取該通道的計數(shù)值，經(jīng)過計算可以得到姿態(tài)角的大小，進一步計算出角速度。

圖1 陀螺儀保護電路圖Fig.1 Gyroscope protection circuit

2.2 加速度計保護電路

加速度計保護電路如圖2所示。

圖2 加速度計防飛保護電路圖Fig.2 Circuit of preventing accelerometer turning to fly

每個陀螺[7]加速度計的輸出包括正計數(shù)脈沖和負計數(shù)脈沖兩路信號。兩個加速度計的四路脈沖分別送到兩片82C54的4個計數(shù)通道CLK端，各通道采用方式0，并設(shè)定82C54計數(shù)溢出值（對應(yīng)的是加速度的保護閾值）。

一旦陀螺加速度計發(fā)生飛轉(zhuǎn)，必然引起4個計數(shù)通道中某一路溢出，經(jīng)過三個或門的求和判斷，形成一個中斷請求信號，F(xiàn)PGA響應(yīng)這一中斷，立即控制繼電器切斷加表回路電源，使加速度計的陀螺停止轉(zhuǎn)動，從而保護加速度計。

2.3 FPGA的選取

目前，主要的FPGA供應(yīng)商有Xllinx公司、Altera公司、Lattic公司和Actel公司，其中Xllinx公司和Altera公司的規(guī)模最大，能提供器件的種類非常豐富。Altera公司的主流器件有 CycloneⅡ，CycloneⅢ，StatixⅡ，StatixⅡGX，StatixⅢ和 StatixⅢGX等系列，其中CycloneⅡ和CycloneⅢ系列主要應(yīng)用于邏輯設(shè)計和簡單的數(shù)字信號處理，StatixⅡ和StatixⅢ系列主要應(yīng)用于高速復(fù)雜數(shù)字信號處理和高速邏輯設(shè)計，StatixⅡGX和StatixⅢGX系列主要應(yīng)用于通訊領(lǐng)域；Xllinx公司的主流器 件 有 Spartan-3E，Spartan-3A，Virtex-4LX，Virtex-4SX，Virtex-4FX，Virtex-5LX，Virtex-5SX 和 Virtex-5FX 等系列，其中Spartan-3E和Spartan-3A系列主要應(yīng)用于邏輯設(shè)計和簡單數(shù)字信號處理，Virtex-4LX和Virtex-5LX系列主要應(yīng)用于高速邏輯設(shè)計，Virtex-4SX和Virtex-5SX系列主要應(yīng)用于高速復(fù)雜數(shù)字信號處理，Virtex-4FX和Virtex-5FX系列主要應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)。

綜合考慮保護電路的設(shè)計要求、成本、運行環(huán)境等各方面因素，最終選定Altera公司CycloneⅡ系列中的EP1C6作為保護電路中的FPGA。

3 軟件設(shè)計

圖3 主程序流程圖Fig.3 Main program flow chart

主程序流程如圖3所示，其主要功能有：1）對計數(shù)芯片82C54的控制。2）在82C54完成計數(shù)后讀取計數(shù)值。3）判斷姿態(tài)角速率是否超差。4）進行保護控制。

用于姿態(tài)角計數(shù)的82C54 3個通道采用方式4，并設(shè)置一個足夠大的計數(shù)初值，該初值足以保證在姿態(tài)角一個開關(guān)門脈沖周期內(nèi)計數(shù)不會溢出。

EP1C6通過時鐘分頻設(shè)置時長為20 ms的中斷，中斷子程序流程如圖4所示。

圖4 中斷響應(yīng)子程序流程圖Fig.4 Interrupt response subroutine flow chart

4 結(jié)束語

文中已為某慣性平臺的測試系統(tǒng)設(shè)計了測試保護電路，完成了電路板的編程和調(diào)試工作，并在該平臺上進行了相關(guān)實驗。從實驗結(jié)果來看，當出現(xiàn)平臺倒臺、加表飛轉(zhuǎn)時，測試保護電路能夠及時切斷平臺伺服回路電源，有效保護了平臺中的慣性器件。

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