一种光纤陀螺数模混合集成系统

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术领域，具体涉及一种光纤陀螺数模混合集成系统。

背景技术

光纤陀螺即光纤角速度传感器，它是各种光纤传感器中最有希望推广应用的一种。光纤陀螺和环形激光陀螺一样，具有无机械活动部件、无预热时间、不敏感加速度、动态范围宽、数字输出、体积小等优点，除此之外，光纤陀螺还克服了环形激光陀螺成本高和闭锁现象等致命缺点；

随着光电技术的发展，光纤陀螺中的光电混合集成、模拟和数字电路等的集成已成为发展趋势，也是光纤陀螺进入实用化、批生产化的关键，光纤陀螺需要形成批量生产，也必然要求其检测电路具有可靠性高、一致性好、易于集成、应用灵活的特点，但是目前的光纤陀螺数字闭环控制电路中由于集成度不高，导致电路的体积、重量和功耗都较高，每个分立元件都要与光纤耦合，因此光纤熔接点多，工序多且复杂，同时造成耦合效率低，易出现故障，环境适应性和可靠性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤陀螺数模混合集成系统，以解决上述背景技术中提出现有技术中，电路的体积、重量和功耗都较高，每个分立元件都要与光纤耦合，因此光纤熔接点多，工序多且复杂，同时造成耦合效率低，易出现故障，环境适应性和可靠性较差的问题。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种光纤陀螺数模混合集成系统，包括数模混合集成模块和数字闭环光纤陀螺模块，所述数模混合集成模块包括FPGA模块、PROM模块、AD模块和DA模块，所述PROM模块、AD模块和DA模块均与FPGA模块电性连接；

所述数字闭环光纤陀螺模块包括探测器、宽谱光源、前置放大电路模块、集成数字电路模块、驱动电路模块、耦合器、Y波导模块和光纤环，所述宽谱光源和探测器均与耦合器相连，所述耦合器与Y波导模块相连，所述Y波导模块与光纤环相连，所述探测器还与前置放大电路模块相连，所述前置放大电路模块与AD模块相连，所述AD模块还与集成数字电路模块相连，所述集成数字电路模块与DA模块相连，所述DA模块还与驱动电路模块相连，所述驱动电路模块与Y波导模块相连。

优选的，所述AD模块的型号为B9235，用于输入信号，所述DA模块的型号为B9764，用于输出信号，所述FPGA模块的型号为BQ2V1000，用于连接外围器件，所述PROM模块的型号为BQ18V04，用于控制程序下载。

优选的，所述数模混合集成模块用于接收模拟信号，在电路内部完成模数转换，同时还能够接收数字信号，在电路内部完成数模转换，并且也提供陀螺数据采集，数字信号处理等功能，通过大量通用I/O，可与电路外围器件或接口实现数据交互。

优选的，所述宽谱光源用于为整个光路提供基准光谱，所述探测器用于干涉仪的输出光功率到电压的转换，所述耦合器用于将宽谱光源、探测器和敏感环路连接，实现光纤陀螺的最小互易结构，所述Y波导模块用于提升转速信号的检测灵敏度和区分转速方向。

优选的，所述数模混合集成模块接入模块电压使其正常工作，编写FPGA码流使AD模块的数字信号输出端与DA模块的数字信号输入端连接，下载烧写到PROM模块，从所述AD模块的VINA_A和VINB_A差分模拟信号输入端输入模拟信号，获取所述DA模块的IOUTA_D和IOUTB_D差分模拟信号输出端信号，即可对混合集成芯片进行整体验证。

优选的，所述FPGA模块接入该模块电源，断开其他所有电源，使用测试码流配置待测FPGA后施加测试激励，分析响应，所述AD模块、DA模块和PROM模块分别接入该模块电源，并分别断开其他所有电源，完成AD模块、DA模块和PROM模块的测试。

优选的，所述FPGA模块、PROM模块、AD模块和DA模块通过系统级封装技术形成数模混合集成芯片，为数字闭环光纤陀螺模块提供小型化方案，所述数模混合集成芯片采用BGA塑封，引脚数256个，封装尺寸18mm×18mm，相比原分立器件面积减小了33％。

优选的，所述Y波导模块上的电压是调制电压和反馈电压之和，用于使复位电压实现快速的2π跟踪。

本发明的技术效果和优点：本发明提出的一种光纤陀螺数模混合集成系统，与现有技术相比，具有以下优点：

本发明通过依托已成熟的FPGA模块BQ2V1000、PROM模块BQ18V04、12位AD模块B9235以及14位DA模块B9764，通过系统级封装技术形成数模混合集成芯片，为光纤陀螺信号处理电路提供小型化方案，该集成芯片采用BGA塑封，引脚数256个，封装尺寸18mm×18mm，相比原分立器件面积减小了33％，不管是芯片级测试还是光纤陀螺系统级测试，该集成芯片均表现出优异的性能，而且系统级封装技术具有设计灵活、工艺兼容性好和研发成本低的优点，能够提高耦合效率，提高了环境适应性和可靠性。

附图说明

图1为本发明一种光纤陀螺数模混合集成系统的框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了如图1所示的一种光纤陀螺数模混合集成系统，包括数模混合集成模块和数字闭环光纤陀螺模块，数模混合集成模块包括FPGA模块、PROM模块、AD模块和DA模块，PROM模块、AD模块和DA模块均与FPGA模块电性连接。

另外，还包括混合集成电路，该电路包括：模数转换及前级调理单元、数模转换及后级驱动单元、可编程逻辑及配置存储器单元、串行数模转换单元、串口通讯单元以及输入选通单元；每个单元通过基板进行电气连接，且每个单元协同工作，实现光纤陀螺信号处理。

模数转换及前级调理单元包括高速差分运放和高速模数转换器，高速差分运放与高速模数转换器连接，通过高速差分运放对采集的光纤陀螺探测器信号进行放大，并将放大后的信号输入到高速模数转换器中进行数模转换，得到14位数字信号。

数模转换及后级驱动单元包含一个高速数模转换器和轨到轨运放；高速数模转换器的输出端与轨到轨运放的输入端连接；数模转换及后级驱动单元将16位数字信号转换为差分模拟信号，将转换后的模拟信号用于y波导驱动。6.优选的，可编程逻辑及配置存储器单元包括可编程逻辑阵列和flash存储芯片；其中可编程逻辑阵列用于对模数转换及前级调理单元输出的数字信号进行处理，flash存储芯片用于对可编程逻辑阵列中的程序和数据进行存储。串行数模转换单元为12位spi串行数模转换器。串口通讯单元包括1路rs-485/422接口接收单元和1路rs-485/422接口发送单元，用于数据通讯。

数字闭环光纤陀螺模块包括探测器、宽谱光源、前置放大电路模块、集成数字电路模块、驱动电路模块、耦合器、Y波导模块和光纤环，宽谱光源和探测器均与耦合器相连，耦合器与Y波导模块相连，Y波导模块与光纤环相连，探测器还与前置放大电路模块相连，前置放大电路模块与AD模块相连，AD模块还与集成数字电路模块相连，集成数字电路模块与DA模块相连，DA模块还与驱动电路模块相连，驱动电路模块与Y波导模块相连。

作为本发明的一种优化方案，AD模块的型号为B9235，用于输入信号，DA模块的型号为B9764，用于输出信号，FPGA模块的型号为BQ2V1000，用于连接外围器件，PROM模块的型号为BQ18V04，用于控制程序下载，对数字闭环光纤陀螺模块进行集成，要根据光纤陀螺微弱信号检测的应用特点，结合集成芯片的通用性以及集成设计的工艺、尺寸、成本来综合设计，上述4个芯片的占用面积几乎是整个电路板的三分之一，如表1所示，因此对AD模块、DA模块、FPGA模块及PROM模块进行集成，可以减小电路板的尺寸，降低电路板的设计难度，且AD模块、DA模块、FPGA模块及PROM模块均为进口工业级器件，可有效提高光纤陀螺检测电路的电子元器件国产化率，提高电路系统的可靠性；

表1

作为本发明的一种优化方案，数模混合集成模块用于接收模拟信号，在电路内部完成模数转换，同时还能够接收数字信号，在电路内部完成数模转换，并且也提供陀螺数据采集，数字信号处理等功能，通过大量通用I/O，可与电路外围器件或接口实现数据交互，该模块面向3.3V应用平台，内部信号连线与光纤陀螺数字闭环检测电路完全相同，能够实现通用FPGA逻辑等功能；

作为本发明的一种优化方案，宽谱光源用于为整个光路提供基准光谱，探测器用于干涉仪的输出光功率到电压的转换，耦合器用于将宽谱光源、探测器和敏感环路连接，实现光纤陀螺的最小互易结构，Y波导模块用于提升转速信号的检测灵敏度和区分转速方向；

在光纤陀螺中，为了提升转速信号的检测灵敏度和区分转速方向，利用Y波导模块的电光调制作用，在两束干涉光的相位差中人为加入方波形式的相位差，设光在光纤环中传播一周的时间为渡越时间τ

数模混合集成模块为多种芯片集成封装，所有内部互联都预留外部测试点，以提高系统能观性和能控性。所有四个模块均可进行分治测试，当需要对某一模块进行测试时，只需对该模块进行上电，其他三个模块断电，即可对该模块进行单独测试，测试方法如下；

S1、数模混合集成模块接入模块电压使其正常工作，编写FPGA码流使AD模块的数字信号输出端与DA模块的数字信号输入端连接，下载烧写到PROM模块，从AD模块的VINA_A和VINB_A差分模拟信号输入端输入模拟信号，获取DA模块的IOUTA_D和IOUTB_D差分模拟信号输出端信号，即可对混合集成芯片进行整体验证；

S2、FPGA模块接入该模块电源，断开其他所有电源，使用测试码流配置待测FPGA后施加测试激励，分析响应，AD模块、DA模块和PROM模块分别接入该模块电源，并分别断开其他所有电源，完成AD模块、DA模块和PROM模块的测试；

作为本发明的一种优化方案，FPGA模块、PROM模块、AD模块和DA模块通过系统级封装技术形成数模混合集成芯片，为数字闭环光纤陀螺模块提供小型化方案，数模混合集成芯片采用BGA塑封，引脚数256个，封装尺寸18mm×18mm，相比原分立器件面积减小了33％；

作为本发明的一种优化方案，Y波导模块上的电压是调制电压和反馈电压之和，用于使复位电压实现快速的2π跟踪，在Y波导模块上加入台阶高度为Δφ

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。