基于FPGA的激光陀螺数据高频高阶处理方法及系统

技术领域

本发明涉及激光陀螺技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的激光陀螺数据高频高阶处理方法及系统。

背景技术

激光陀螺作为惯性导航设备的高精度关键器件之一，决定了惯性导航设备的测量精度。惯性导航设备的自对准及导航精度均取决于激光陀螺和加速度计的精度，其中两位置自对准精度主要由激光陀螺的零偏一次通电稳定性和随机游走决定，因此激光陀螺的精度在很大程度上影响着惯性导航设备的性能。

现有技术中对于激光陀螺的数据采样通常基于DSP，且通常以2K频率对惯导设备的三路激光陀螺依次进行采样，再进行16阶滤波。

然而，以2K频率对激光陀螺数据进行采样已经无法满足现如今数据精度的需求，且基于DSP的激光陀螺采样方法同时对三路陀螺的数据进行处理较慢，导致惯导设备的性能无法满足实际越来越高的需求。

因此，亟需一种能够解决现有激光陀螺数据采样方法的精度和效率无法满足实际需求问题的技术方案。

发明内容

本发明提供了一种基于FPGA的激光陀螺数据高频高阶处理方法及系统，用以解决现有激光陀螺数据采样方法的精度和效率无法满足实际需求的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于FPGA的激光陀螺数据高频高阶处理方法，用于包括FPGA模块、DSP模块和惯导设备三路激光陀螺的系统，DSP模块和惯导设备三路激光陀螺均与FPGA模块连接；方法包括：

通过FPGA模块对惯导设备三路激光陀螺均同步执行以下内容：

以2mk采样频率对激光陀螺进行采样，m≥8，m为正整数，得到第一数据组；

将第一数据组中的数据进行16m阶的FIR滤波处理，得到第二数据组；

将第二数据组中的数据每m个进行累加，得到第三数据组；

将第三数据组发送至DSP模块；

通过DSP模块接收第三数据组，并将第三数据中的数据进行归一化处理，得到激光陀螺高频高阶处理的数据。

优选的，FPGA模块包括采样单元和时钟单元；以2mk采样频率对激光陀螺进行采样包括：

通过时钟单元产生2mk时钟信号，取2mk时钟信号的上升沿作为2mk采样时标，通过采样单元对激光陀螺进行采样。

优选的，FPGA模块还包括滤波模块；将第一数据进行16m阶的FIR滤波处理包括：

通过滤波模块将第一数据进行16m阶的FIR滤波处理；

滤波模块采用三级流水线方式实现16m阶FIR滤波算法，算法可以体现为如下表达式：

其中，y(n)表示滤波输出信号；h(k)表示滤波器系数，h(k)的值呈对称分布；x(n-k)表示x(n)延时k个周期，x(n)表示输入信号；N-1表示阶数，N取16m+1。

优选的，FPGA模块还包括双口RAM以及ROM，双口RAM包括A端口和B端口；ROM中存储着按队列顺序排列的h(k)；FIR滤波处理包括：

将第一数据组中的采样数据逐一从A端口存入双口RAM，当双口RAM中数据达到16m+1个时，开始采用三级流水线进行滤波计算：

第一级流水线：从A端口读取此时双口RAM中地址最小的数据，从B端口读取此时双口RAM中地址最大的数据，将地址最小的数据与地址最大的数据进行累加，得到a；

第二级流水线：从ROM中按顺序取出一个h(k)与a相乘，得到b；

第三级流水线：将b与c相加得到第一个三级流水线的流水线结果值c

将第一级流水线中A端口读取地址逐一加1，B端口读取地址逐一减1，持续执行三级流水线，得到第8m+1个三级流水线的结果c

其中，第一个三级流水线的c值取0，其他三级流水线的c值取上一个三级流水线的流水线结果值；

对第一数据组中的所有数据执行FIR滤波处理，得到第一数据组中的所有数据对应的滤波数据，由所有的滤波数据组成第二数据组。

优选的，对第一数据组中的所有数据执行FIR滤波处理包括：

计算得到一个滤波数据后，将双口RAM中的一个数据替换为第一数据组中的新数据，再执行三级流水线，得到一个滤波数据；

在得到滤波数据后继续将双口RAM中的一个数据替换为第一数据组中的新数据，再执行三级流水线，得到滤波数据，直至第一数据组中的所有数据执行FIR滤波处理。

本发明还提供了一种基于FPGA的激光陀螺数据高频高阶处理系统，包括FPGA模块、DSP模块和惯导设备三路激光陀螺的系统，DSP模块和惯导设备三路激光陀螺均与FPGA模块连接；

FPGA模块用于对激光陀螺进行采样，得到陀螺采样数据，还用于对陀螺采样数据进行FIR滤波处理，得到滤波数据，还用于对滤波数据进行累加处理，得到滤波后的2K陀螺数据，还用于将滤波后的2K陀螺数据发送至DSP模块；

DSP模块用于接收滤波后的2K陀螺数据，并将滤波后的2K陀螺数据进行归一化处理，得到得到激光陀螺高频高阶处理的数据。

优选的，FPGA模块包括采样单元和时钟单元；

时钟单元用于产生时钟信号，取时钟信号的上升沿作为采样时标对激光陀螺进行采样；采样单元用于对激光陀螺进行采样。

优选的，FPGA模块还包括滤波模块；

滤波模块用于对陀螺采样数据进行FIR滤波处理。

本发明具有以下有益效果：

本发明的基于FPGA的激光陀螺数据高频高阶处理方法，通过提高采样频率，并对应进行更高阶的滤波处理，相比现有技术中2k采样与16阶滤波的组合大大降低了陀螺数据的噪声，提高了陀螺数据采样的精度。通过FPGA可以实现对惯导设备三路陀螺同时进行数据采集和滤波处理，且数据的处理效率相对现有基于DSP的陀螺采样方法大大提升，近一步大大提高了惯导设备的性能和效率。

本发明的系统用于本发明的方法，与本发明的方法具备相同的有益效果。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例1的方法流程示意图。

图2是本发明优选实施例1的系统结构示意图。

图中标号为：

1、FPGA模块；1.1、采样单元；1.2、滤波模块；1.3、双口RAM；1.4、时钟单元；1.5、ROM；2、DSP模块；3、X路陀螺；4、Y路陀螺；5、Z路陀螺。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1:

参见图1至图2，本发明优选实施例中，提供了一种基于FPGA的激光陀螺数据高频高阶处理方法，用于包括FPGA模块1、DSP模块2和惯导设备三路激光陀螺(三路激光陀螺分别是X路陀螺3、Y路陀螺4和Z路陀螺5)的系统，DSP模块2和惯导设备三路陀螺均与FPGA模块1连接；方法包括：

通过FPGA模块1对惯导设备三路激光陀螺均同步执行以下内容：

步骤一：以2mk采样频率对陀螺进行采样，m≥8，m为正整数，得到第一数据组，第一数据组即陀螺的采样数据；

FPGA模块1包括采样单元1.1和时钟单元1.4；通过时钟单元1.4产生2mk时钟信号，取2mk时钟信号的上升沿作为2mk采样时标，通过采样单元1.1对激光陀螺进行采样。

步骤二：将第一数据组中的数据进行16m阶的FIR滤波处理，得到第二数据组，第二数据组即滤波后的数据。

FPGA模块1还包括滤波模块1.2；通过滤波模块1.2将第一数据进行16m阶的FIR滤波处理。

滤波模块1.2采用三级流水线方式实现16m阶FIR滤波算法，算法可以体现为以下表达式：

其中，y(n)表示滤波输出信号；h(k)表示滤波器系数；x(n-k)表示x(n)延时k个周期，x(n)表示输入信号；N-1表示阶数，N取16m+1。

FPGA模块1还包括双口RAM1.3以及ROM1.5，双口RAM1.3包括A端口和B端口；ROM1.5中存储着按队列顺序排列的h(k)，h(k)的值呈对称分布；FIR滤波处理包括：

将第一数据组中的采样数据逐一从A端口存入双口RAM1.3，当双口RAM1.3中数据达到16m+1个时，开始采用三级流水线进行滤波计算：

第一级流水线：从A端口读取此时双口RAM1.3中地址最小的数据，从B端口读取此时双口RAM1.3中地址最大的数据，将地址最小的数据与地址最大的数据进行累加，得到a；

第二级流水线：从ROM1.5中按顺序取出一个h(k)与a相乘，得到b；

第三级流水线：将b与c相加得到第一个三级流水线的流水线结果值c

将第一级流水线中A端口读取地址逐一加1，B端口读取地址逐一减1，持续执行三级流水线，得到第8m+1个三级流水线的结果c

其中，第一个三级流水线的c值取0，其他三级流水线的c值取上一个三级流水线的流水线结果值；

对第一数据组中的所有数据执行FIR滤波处理，得到第一数据组中的所有数据对应的滤波数据，由所有的滤波数据组成第二数据组。

对第一数据组中的所有数据执行FIR滤波处理包括：

计算得到一个滤波数据后，将双口RAM1.3中的一个数据替换为第一数据组中的新数据，再执行三级流水线，得到一个滤波数据；

在得到滤波数据后继续将双口RAM1.3中的一个数据替换为第一数据组中的新数据，再执行三级流水线，得到滤波数据，直至第一数据组中的所有数据执行FIR滤波处理。

步骤三：以时钟单元1.4的2k时钟周期为标志，将第二数据组中的数据每m个进行累加，得到第三数据组；第三数据组即滤波后的2K陀螺数据。

步骤四：将第三数据组发送至DSP模块2；

通过DSP模块2接收第三数据组，并将第三数据中的数据进行归一化处理，得到激光陀螺高频高阶处理的2K陀螺数据。

本发明优选实施例的基于FPGA的激光陀螺数据高频高阶处理方法，通过提高采样频率，并对应进行更高阶的滤波处理，相比现有技术中2k采样与16阶滤波的组合大大降低了陀螺数据的噪声，提高了陀螺数据采样的精度。通过FPGA可以实现对惯导设备三路陀螺同时进行数据采集和滤波处理，且数据的处理效率相对现有基于DSP的陀螺采样方法大大提升，近一步大大提高了惯导设备的性能和效率。

本发明优选实施例还提供了一种基于FPGA的激光陀螺数据高频高阶处理系统，包括FPGA模块1、DSP模块2和惯导设备三路激光陀螺的系统，DSP模块2和惯导设备三路激光陀螺均与FPGA模块1连接；其中DSP模块2与FPGA模块1通过EMIF接口连接。

FPGA模块1用于对激光陀螺进行采样，得到陀螺采样数据，还用于对陀螺采样数据进行FIR滤波处理，得到滤波数据，还用于对滤波数据进行累加处理，得到滤波后的2K陀螺数据，还用于将滤波后的2K陀螺数据发送至DSP模块2；

DSP模块2用于接收滤波后的2K陀螺数据，并将滤波后的2K陀螺数据进行归一化处理，得到得到激光陀螺高频高阶处理的数据。

FPGA模块1包括采样单元1.1和时钟单元1.4；

时钟单元1.4用于产生时钟信号，取时钟信号的上升沿作为采样时标对激光陀螺进行采样；采样单元1.1用于对激光陀螺进行采样。

优选的，FPGA模块1还包括滤波模块1.2；

滤波模块1.2用于对陀螺采样数据进行FIR滤波处理。

本发明优选实施例的系统用于本发明的方法，与本发明的方法具备相同的有益效果。

实施例2:

本发明优选实施例中，提供了一种基于FPGA的激光陀螺数据高频高阶处理方法，用于包括FPGA模块1、DSP模块2和惯导设备三路激光陀螺的系统，DSP模块2和惯导设备三路激光陀螺均与FPGA模块1连接；方法包括：

通过FPGA模块1对惯导设备三路激光陀螺均同步执行以下内容：

S1、以32k采样频率对陀螺进行采样，得到陀螺采样数据。

FPGA模块1包括采样单元1.1和时钟单元1.4；通过时钟单元1.4产生32k时钟信号，取32k时钟信号的上升沿作为32k采样时标，通过采样单元1.1对激光陀螺进行采样。

S2、将第一数据进行256阶的FIR滤波处理，得到陀螺滤波数据。

FPGA模块1还包括滤波模块1.2；通过滤波模块1.2将陀螺采样数据进行256阶的FIR滤波处理。

滤波模块1.2采用三级流水线方式实现FIR滤波算法，算法可以体现为以下表达式：

其中，y(n)表示滤波输出信号；h(k)表示滤波器系数；x(n-k)表示x(n)延时k个周期，x(n)表示输入信号；N-1表示阶数，N取257。

FPGA模块1还包括双口RAM1.3以及ROM1.5，双口RAM1.3包括A端口和B端口；ROM1.5中存储着按队列顺序排列的h(k)；滤波模块1.2采用三级流水线方式实现FIR滤波算法包括：

将陀螺采样数据从A端口存入双口RAM1.3，当双口RAM1.3中数据达到257时，开始采用三级流水线进行滤波计算：

第一级流水线：从A端口读取此时双口RAM1.3中地址为0的数据，从B端口读取此时双口RAM1.3中的地址为257的数据，将两个数据进行累加，得到a。

第二级流水线：从ROM1.5中按顺序取出一个h(k)与a相乘，得到b；

第三级流水线：将b与0相加得到c1；c1表示第一个三级流水线的流水线结果值；

持续执行三级流水线，得到第129个三级流水线的结果c

其中，第一个三级流水线的c值取0，其他三级流水线的c值取上一个三级流水线的流水线结果值；

对第一数据组中的所有数据执行FIR滤波处理，得到第一数据组中的所有数据对应的滤波数据，由所有的滤波数据组成第二数据组。

本发明优选实施例中，对第一个三级流水线和第二个三级流水线进行举例：

第一个时钟周期的三级流水线包括：

第一级流水线：从A端口读取此时双口RAM1.3中地址为0的数据，从B端口读取此时双口RAM1.3中的地址为257的数据，将两个数据进行累加，得到第一累加和；

第二级流水线：从ROM1.5中取出第一个h(k)与第一累加和进行相乘，得到第一乘积；

第三级流水线：将第一乘积与0相加得到第一流水线结果值；

第二个时钟周期的三级流水线包括：

第一级流水线：从A端口读取此时双口RAM1.3中地址为1的数据，从B端口读取此时双口RAM1.3中的地址为256的数据，将两个数据进行累加，得到第二累加和；

第二级流水线：从ROM1.5中取出第二个h(k)与第二累加和进行相乘，得到第二乘积；

第三级流水线：将第二乘积与第一流水线结果值相加得到第二流水线结果值。

S3、将第二数据组中的数据每16个进行累加，得到滤波后的2K陀螺数据。

S4、将滤波后的2K陀螺数据发送至DSP模块2。

通过DSP模块2接收滤波后的2K陀螺数据，并进行归一化处理，得到高频高阶采样及处理的2K陀螺数据。

本发明优选实施例的基于FPGA的激光陀螺数据高频高阶处理方法，通过提高采样频率，并对应进行更高阶的滤波处理，相比现有技术中2k采样与16阶滤波的组合大大降低了数据的噪声，提高了陀螺数据采样的精度。通过FPGA可以实现对惯导设备三路陀螺同时进行数据采集和滤波处理，且数据的处理效率相对现有基于DSP的陀螺采样方法大大提升，近一步大大提高了惯导设备的性能和效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。