摘 要：光纖陀螺儀是一種用來測量角速度的傳感器。為了檢測調制解調電路是否符合設計要求，并提高陀螺的實際應用精度，本文設計了一種基于FPGA的光纖陀螺儀模擬表頭及其測試系統(tǒng)，能有效地檢測調制解調電路的性能。

　　關鍵詞：光纖陀螺;模擬表頭;FPGA;Verilog HDL

　　光纖陀螺是激光陀螺的一種，是慣性技術和光電子技術緊密結合的產物。它利用Sagnac干涉效應，用光纖構成環(huán)形光路，并檢測出隨光纖環(huán)的轉動而產生的兩路超輻射光束之間的相位差，由此計算出光纖環(huán)旋轉的角速度。光纖陀螺儀主要由兩個部分組成。伺服于表頭的調制解調電路根據(jù)輸入的電信號，經過相應的變換后形成反饋信號送至表頭的相位調制器中。在實際的應用過程中，相應的調制解調電路應該根據(jù)溫度、振動等情況做出相應的改變，才能最大限度地保證陀螺的精度要求。本文設計了一種基于FPGA的測試系統(tǒng)，模擬光纖陀螺儀的表頭，并檢測調制解調電路的性能。

　　模擬表頭的基本原理及結構

　　表頭的主要功能是將Sagnac效應產生的光程差所引起的相位變化通過回路耦合器轉換為光功率的變化，再通過探測器探測后以電信號的形式輸出至調制解調電路中。數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺儀系統(tǒng)結構見圖1。從調制解調電路中采樣來的原始參數(shù)值，經過模擬表頭內數(shù)字信號處理，可將輸入調制解調電路的實際表頭信號還原出來。得到初始還原值之后，通過在模擬表頭中進行修改、加載不同類型的參數(shù)值，從而檢測調制解調電路中相應的性能指標。

　　圖1 數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺儀系統(tǒng)結構圖

　　本文所設計的模擬表頭系統(tǒng)遵循了一般數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺系統(tǒng)的基本原理，在系統(tǒng)結構上發(fā)生了變化。調制解調電路在本系統(tǒng)中處于被動地位，而表頭作為系統(tǒng)的主體。同時，用一個自主設計的電路系統(tǒng)代替了光纖陀螺儀的表頭部分。模擬表頭及其測試系統(tǒng)的結構如圖2所示。

　　圖2 模擬表頭及其測試系統(tǒng)框圖

　　圖中，PC上位機的工作十分重要，它不僅控制調制解調電路和模擬表頭系統(tǒng)的協(xié)同工作，而且要將所采集來的數(shù)據(jù)進行分析整理，并完成關鍵的軟件編寫和植入工作。

　　模擬表頭系統(tǒng)的硬件設計

　　根據(jù)理論分析，本文設計出基于FPGA的模擬表頭硬件系統(tǒng)，如圖3所示。

　　圖3 基于FPGA的光纖陀螺模擬表頭硬件連接圖

　　在這個閉環(huán)系統(tǒng)中，需要采集的主要信號是調制解調電路中的相位反饋信號。根據(jù)反饋信號的特點，選用運算量不大但處理速度快的FPGA作為信號處理的主要器件。在本方案中，考慮到成本和實際運算量，選取XC3S100E FPGA芯片。

　　本系統(tǒng)采用