捷联寻北信号采集系统研究

王永伟，徐向东，高 峰，穆 岩，宫亚坤

（1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033 2.中国科学院大学，北京100049；3.空军驻长春地区军事代表室，吉林长春130012）

捷联寻北信号采集系统研究

王永伟1，2，3*，徐向东1，高 峰1，穆 岩1，宫亚坤1

（1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033 2.中国科学院大学，北京100049；3.空军驻长春地区军事代表室，吉林长春130012）

基于捷联寻北信号采集系统,提出了一种在不同地理纬度下准确获得陀螺数据拟合曲线的方法。首先计算得出了在不同地理纬度下动调陀螺输出的电流大小,根据其变化调整信号采集模块的采样电阻值,设计了基于数字电位器的自调整采样电阻系统；然后数据处理系统根据采集到的陀螺信号自动计算工作地点的地理纬度,自调整采样电阻系统通过地理纬度自动设置采样电阻的阻值,进而获得准确的数据拟合曲线。本方法确保了寻北仪在不同地理纬度时满足寻北精度要求,适应性强,稳定性高。

信号检测；捷联寻北；信号采集系统；数字电位器

1 引言

随着惯性技术的发展,捷联寻北仪以其快速、高可靠性、无需外界提供地理位置信息和简单的结构成为发展的主流趋势,寻北仪在导弹发射、火炮瞄准等军事应用中发挥着重要作用［1-4］。在实际工程应用中,寻北仪的工作纬度从南纬53°到北纬53°,在地球纬度0°～53°的范围内,地球自转角速度的北向分量的变化范围较大,陀螺输出信号的幅值会有较大的差异。当信号采集系统的采样电阻为定值时,不同地理纬度时陀螺数据拟合曲线不同,有些地理纬度的数据拟合曲线会导致数据的丢失,对寻北产生一定的影响［5-7］。

本文通过计算分析了在不同地理纬度时寻北仪动调陀螺输出的电流大小不同,提出了采样系统采样电阻阻值应根据地理纬度的变化自动调整,设计了基于数字电位器的自调整采样电阻,通过采集陀螺信号自动计算工作地点的地理纬度,通过地理纬度自动设置采样电阻的阻值,确保了寻北仪在不同地理纬度时的寻北精度。本文设计的数字电位器自调整采样电阻系统还可应用于其他工程实践中。

2 捷联寻北系统

捷联寻北系统由数据采集与处理系统、转台调平系统（倾角仪）、转位控制系统（伺服单元）、惯性测量系统（动调陀螺）、温度控制系统（温控单元）等构成［1-2］。数据采集与处理系统由信号采集模块、信号处理模块、数据显示模块和数据通讯模块组成,是寻北仪的中央处理核心,主要实现数据采集与处理并计算寻北角度的功能,原理框图如图1所示。信号采集模块将陀螺输出的电流信号转换为电压信号,再经过A/D转换为数字信号；信号处理模块对陀螺数据进行数字滤波,并根据多个转位位置的陀螺数据和编码器数据进行处理,计算寻北角度；数据显示模块显示寻北仪的工作状态和寻北角度数据；数据通讯模块通过串口与伺服控制单元、温度控制单元、电子倾角仪、编码器、上位机进行通讯,收发数据。

捷联寻北系统将动调陀螺垂直安装在转台上,其敏感轴与台面平行,感应地球自转角速度。控制转台从起始位置起,逆时针旋转、停顿、旋转、停顿、……,一周内转台间隔停顿n个转角位置,在每个转角位置停顿静止时采集陀螺信号,在一周n个转角位置θi=（i-1）×2π/n,i=1,2……n上,陀螺输出的数学模型为：

式中,yi为陀螺输出；R为陀螺常值漂移；ωN为地球自转角速率的北向分量；Ψ为初始方位角；θi为转台的n个转角的位置,θi=（i-1）×2π/n,i= 1,2……n。ωi为陀螺测量噪声。

根据数学模型即可得到捷联寻北的原理曲线是一个正弦曲线。当θi=ψ时,陀螺输出最大,即为真北方向。

3 信号采集模块

信号采集模块将陀螺输出的电流信号转换为电压信号,寻北仪的信号采集模块主要由采样电阻、同相加法器、低通滤波器、A/D转换器等组成,电路原理图如图2所示。

3.1 采样电阻

采样电阻R1是用来将陀螺输出的电流信号转换为电压信号,其电阻值的选取首先是与陀螺输出的电流大小有关,其次是与运算放大电路和A/D转换电路的工作电压范围有关。

根据动力调谐陀螺［8-10］的力矩器刻度系数：

可推算出：

忽略陀螺各种漂移的影响,陀螺输出为：

已知地球自转角速度ωe=15°/h,地理纬度φ =42°,将式（3）中Kx、Ky的数值代入式（4）中,则陀螺输出的最大电流值为：

由于A/D转换器AD7667的工作范围为0～2.5 V,则运算放大器U1的输出V0应该在0～2.5 V。根据图2中设计的电路原理,输入电压Vin应该在-1.25～1.25 V范围之间,即：

满足后续电路的工作电压范围要求,所以,采样电阻R1的阻值初步选定5.1 kΩ。

3.2 采样电阻对寻北的影响

在寻北仪的实际使用中,工作纬度从南纬53°到北纬53°,在地球纬度0°～53°的范围内,地球自转角速度的北向分量ωN的变化范围较大,陀螺输出信号的幅值会有较大的差异,就会对寻北产生一定的影响。

根据式（4）,在地球赤道处,纬度φ=0°,陀螺输出的最大电流值为：

在长春地区,纬度约为φ=42°,陀螺输出的最大电流值为：

再往北走,到达纬度φ=53°时,陀螺输出的最大电流值为：

当采样电阻取R1=5.1 kΩ时,根据图2设计的陀螺信号采集电路,A/D转换器的输入电压为：

以快速模式为例,取90个测量位置,设北向相位为ψ=0.5,将式（7）、（8）、（9）的电流值代入到式（10）中,对不同地理纬度φ=0°、φ=42°、φ=53°的陀螺数据进行仿真,图3为地理纬度42°时的仿真曲线,图4为地理纬度0°时的仿真曲线,图5为地理纬度53°时的仿真曲线。

由于采样电阻R1的选择是以长春地区（北纬42°）为基准,因此,从仿真曲线可以看出,只有图3的曲线较好,而图4曲线的电压幅值过大,图5的电压幅值较小。在赤道处,电压值超出A/D转换器的电压范围,经过A/D转换后的数据就会出现图4中的限幅现象,有效数据不到60个,将会影响曲线拟合的精度。在图5中,由于地理纬度较高,电压幅值较低,降低了有效分辨力,也会对拟合精度有一定的影响。所以,采用固定阻值的采样电阻,无法满足寻北仪在不同地理纬度时的实际工程应用。

4 数字电位器及其应用

为了避免固定阻值采样电阻带来的负面影响,满足寻北仪工程应用的需求,本文采用了新型的可变阻值电阻---数字电位器［11］。

4.1 数字电位器原理

数字电位器（digital potentiometer）是采用CMOS工艺制成的数字---模拟混合信号处理集成电路,亦称数控可编程电阻器,简称数控电位器（digitally controlled potentiometers,DCP）。数字电位器具有寿命长、工作可靠、性能稳定、抗冲击和振动、体积小、使用灵活等特点,广泛用于各种仪器仪表、计算机及通信设备、家用电器、工业控制等领域,近年来具有取代传统机械式电位器的趋势［12］。

本文选用了美国微芯公司（Microchip）生产的MCP4022数字电位器,其封装形式及原理框图如图6所示。MCP4021/2/3/4系列器件是6位分辨率的非易失性数字电位器,它既可以配置成电位器,也可以配置成变阻器。通过简单的Up/Down（U/D）串行接口对电刷设置进行控制。该系列器件采用了Microchip的Wiper Lock技术,它允许在EEPROM中保存应用特定的校准设置,而不需要使用额外的写保护引脚［13］。

MCP4022数字电位器的基本特性为：（1）非易失性数字电位器,SOT-23-6封装形式；（2）64个抽头：在A和B端间利用抽头形成63个分级电阻；（3）简单Up/Down（U/D）协议；（4）上电自动调用保存的电刷设置；（5）电阻阻值：2.1、5、10、50 kΩ；（6）低温度系数：50 ppm；（7）低电刷电阻：75Ω；（8）可承受高电平数字输入：最高可达12.5 V；（9）宽工作电压范围：2.7～5.5 V；（10）扩展级温度范围：-40～+125℃［12］。

MCP4022数字电位器具有4种标称电阻（RAB）,分别为2.1、5、10和50 kΩ,标称电阻定义为A端和B端之间的电阻值。在A端和B端之间排列有63个电阻,电刷可以设置于这63个电阻中的任意一个抽头,这样就提供了64种设置选择（包括A和B两端）。图7是该器件电阻网络的框图。

从电阻网络框图,可以得到步长电阻RS的计算公式：

则数字电位器输出电阻RAW的计算公式为：

式中,RW为电刷电阻（RW=75Ω）。

4.2 数字电位器应用

根据图2中设计的采集电路,输入电压Vin取值为1.1 V（保证电路有一定的冗余）,由式（6）可得到采样电阻与陀螺输出电流的关系：

在地理纬度为0°时,陀螺输出电流最大,则采样电阻的阻值最小：

而在地理纬度为53°时,陀螺输出电流最小,采样电阻的阻值最大：

因此,在地理纬度0°～53°的范围内,采样电阻阻值的取值范围可设定为3.8～6.3 kΩ。在实际应用中串联了3个MCP4022T-202E,电阻值为2.1 kΩ,步长电阻为33.33Ω,以提高数字电位器的分辨率,如图8所示,其中MCP4022的控制信号CS、U/D由FPGA［14］提供。

设图8中3个数字电位器的电阻分别为RAW1、RAW2和RAW3,则陀螺信号的采样电阻为：

已知RAB=2.1 kΩ,R1=3.79 kΩ,设3个数字电位器的电阻级数分别为N1、N2、N3,根据式（12）可得出：

将式（17）代入到式（16）中,即可得到采样电阻阻值与数字电位器电阻级数之间的关系：

最后根据式（13）和式（18）,可计算出数字电位器电阻级数与地理纬度的表达式：

在不同的地理纬度时,通过式（19）计算出3个数字电位器的电阻级数之和,由处理单元合理分配N1、N2、N3,再由FPGA将N1、N2、N3写入到数字电位器中,从而实现可变采样电阻的自动设置。

4.3 自动计算地理纬度的方法

自调整采样电阻在实际应用时,还有一个需要解决的关键问题：必须先知道寻北仪所在位置的地理纬度,可通过下面的方法自动计算出地理纬度。

首先,合理设定数字电位器的电阻级数N1、N2、N3,使N1+N2+N3=82,由式（18）可计算出采样电阻的阻值为：

再将上式代入到式（10）中,陀螺输出信号的最大幅值为：

则地理纬度可通过下式计算得到：

具体实施的步骤为：

（1）先设定N1+N2+N3=82,使采样电阻R1=3.79 kΩ；

（2）控制转台匀速转动一周,实时采集陀螺数据,经过滤波处理,得到陀螺数据的最大幅值Vmax；

（3）根据式（22）即可通过Vmax计算出地理纬度。

图9是自调整采样电阻的自动设置过程：先将采样设置为最小值,通过采样数据自动计算地理纬度,再重新计算数字电位器的电阻级数,最后将级数写入到数字电位器中。

5 结论

本文计算分析了寻北仪在不同的地理纬度时动调陀螺输出的电流值不同的特点,得出当采样系统的采样电阻为定值时,某些地理纬度的寻北精度较低。采用3个数字电位器制作的自采样电阻器系统,可依据地理纬度通过FPGA自动设定采样电阻的大小。同时,地理纬度也可以通过采集到的陀螺信号来获得。利用FPGA和数字电位器制作自采样电阻的方法,能够确保寻北仪在不同纬度的寻北精度,适应性强,稳定性高。

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作者简介：

王永伟（1983-）,男,山西汾阳人,学士,工程师,2006年于空军工程大学获得学士学位,主要从事雷达工程、光学系统加工等方面的研究。E-mail：yongwei.516@ 163.com

徐向东（1969-）,男,山东济南人,硕士,高级工程师,1996年于空军工程学院获得硕士学位,主要从事航空弹药、雷达电子方面的研究。E-mail：xuxd@163.com

穆 岩（1980-）,男,吉林松原人,硕士,工程师,2003年于长春理工大学获得学士学位,2012年于吉林大学获得硕士学位,主要从事雷达电子等方面的研究。E-mail：muy@163.com

宫亚坤（1987-）,男,陕西西安人,学士,助理工程师,2010年于长春工业大学获得学士学位,主要从事雷达电子等方面的研究。E-mail：gongyk@163.com

高 峰（1963-）,男,山西长子人,硕士,高级工程师,主要从事雷达电子方面的研究。E-mail：gaofeng@163.com

Signal sampling system of strap-down north seeking

WANG Yong-wei1,2,3*,XU Xiang-dong1,GAO Feng1,MU Yan1,GONG Ya-kun1
（1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China；2.Uniυersity of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China；3.Air Force Military Delegate Office in Changchun,Changchun 130012,China）
*Corresponding author,E-mail：yongwei.516@163.com

We proposed amethod to accurately acquire the sin wave curve of strap-down north seeking signal acquisition system at different latitudes.According to the current value of dynamically tuned gyro outputat different latitude we designed a system which can automatically adjust the sample resistor value using digital potentiometer.The data processing system calculates the latitude automatically based on dynamically tuned gyro signal and then the signal acquisition system resets the acquisition resistor value,and thuswe can acquire the sin wave curve efficiently.Using thismethod we ensure that the north finder can meet the accuracy requirements at different geographical latitudes,and has strong adaptability and high stability.

signal detecting；strap-down north seeking；signal sampling system；digital potentiometer

TN911.7

A

10.3788/CO.20140705.0786

2095-1531（2014）05-0786-08

2014-04-15；

2014-06-13

吉林省自然科学基金资助项目（No.201115124）