摘要：對傳統(tǒng)的數(shù)字化轉(zhuǎn)角測量方法進(jìn)行了簡要介紹，提出了一種能夠提高測角分辨率的脈沖細(xì)分技術(shù)，并結(jié)合激光陀螺輸出信號對該方法進(jìn)行了誤差分析。接著利用FPGA對此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了硬件實(shí)現(xiàn)，具體描述了電路各部分的工作原理及程序設(shè)計(jì)，并使用QuartusⅡ軟件對電路進(jìn)行了仿真。最后，對某型激光陀螺輸出信號進(jìn)行周期采樣，對電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明該技術(shù)能夠有效提高轉(zhuǎn)角測量分辨率，電路工作穩(wěn)定，取得了預(yù)期的效果。
關(guān)鍵詞：角度測量；脈沖細(xì)分；高精度分辨率；FPGA
傳統(tǒng)的基于脈沖計(jì)數(shù)原理的角度測量方法主要是對采樣時間間隔內(nèi)的整脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，這種方法的測角分辨率依賴于相應(yīng)的角度傳感器，分辨率相對較低，帶來的誤差較大。以高精度的激光陀螺為例，傳統(tǒng)的整脈沖計(jì)數(shù)方法僅能獲得角秒量級的角度分辨率，這樣的分辨率并不能滿足某些高精度測量。本文提出的脈沖細(xì)分技術(shù)可以對測角脈沖進(jìn)行細(xì)分，以獲得更高的測角分辨率。
1 脈沖細(xì)分技術(shù)
傳統(tǒng)的對角度傳感器數(shù)字脈沖的測量方法是在確定的采樣時間內(nèi)對脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。如圖1是在2個指示脈沖時間間隔Ts內(nèi)對脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值為N+1。
在時間間隔Ts內(nèi)存在最大為±1個脈沖的計(jì)數(shù)誤差，誤差δN在區(qū)間[-1，1]上的概率密度分布為均勻分布，根據(jù)計(jì)算為δN=0．82。某型激光陀螺的標(biāo)度因數(shù)約為1．8"／脈沖，則整脈沖計(jì)數(shù)方法的角度測量誤差為0．82×1．8"=1．48"，這并不能滿足高精度測角的要求。
脈沖細(xì)分技術(shù)是根據(jù)轉(zhuǎn)臺伺服控制系統(tǒng)中數(shù)字化速度測量方法中的高速、高精度、連續(xù)測速方案來實(shí)現(xiàn)的。利用脈沖細(xì)分技術(shù)對測角脈沖進(jìn)行細(xì)分，將脈沖數(shù)的小數(shù)部分精確測量出來，這樣可以大大提高測角的分辨率。
如圖1，假設(shè)在指示脈沖時間間隔Ts內(nèi)，對測角脈沖上升沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)得N+1個，認(rèn)為這段時間內(nèi)的整數(shù)脈沖數(shù)為N，將前一個指示脈沖上升沿與計(jì)得的第一個測角脈沖上升沿之間的頭小數(shù)脈沖數(shù)n1加上第N+1個測角脈沖上升沿與后一個指示脈沖上升沿之間的尾小數(shù)脈沖數(shù)n2相加即為這段時間內(nèi)的小數(shù)脈沖數(shù)。而下一段指示脈沖時間間隔的頭小數(shù)脈沖n3加上這段的尾小數(shù)脈沖n2為1。因此只需測量每一次的頭小數(shù)脈沖或尾小數(shù)脈沖即可。
假設(shè)測角脈沖周期為T，時間細(xì)分高頻計(jì)數(shù)時鐘脈沖周期為Tc，頭小數(shù)脈沖時間為To，利用高頻計(jì)數(shù)時鐘可以精確地將T與To測量出。測角脈沖數(shù)可表示為：
式中：f為測角脈沖信號頻率，fc為高頻計(jì)數(shù)時鐘頻率。假設(shè)測角脈沖信號頻率為1 MHz，高頻計(jì)數(shù)時鐘頻率為50 MHz，代入式(2)得δNp =0．033脈沖。假設(shè)某型陀螺的標(biāo)度因數(shù)為1．8"／脈沖，則角度測量誤差為0．033×1．8"=0．059"。可以看到誤差很小。脈沖細(xì)分技術(shù)的運(yùn)用對提高測角精度起到了關(guān)鍵作用。
2 基于FPGA的脈沖細(xì)分電路的設(shè)計(jì)
2．1 總體設(shè)計(jì)
大部分的角度傳感器輸出信號都是由兩路相位差90°的脈沖信號組成，設(shè)計(jì)電路時首先可以對兩路信號進(jìn)行鑒相解調(diào)與倍頻，一方面完成轉(zhuǎn)向的判斷，另一方面將兩路信號四倍頻；接著設(shè)計(jì)整數(shù)脈沖計(jì)數(shù)器、小數(shù)脈沖計(jì)數(shù)器，對相應(yīng)脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)；最后將計(jì)數(shù)值通過串口通信單元順序發(fā)送至計(jì)算機(jī)，方便后期的數(shù)據(jù)處理。這里最為關(guān)鍵的問題是利用脈沖細(xì)分技術(shù)計(jì)出被測脈沖的小數(shù)部分，另外指示脈沖對計(jì)數(shù)器的控制精度關(guān)系到計(jì)數(shù)值的準(zhǔn)確與否，因此要利用性能良好的硬件并巧妙地設(shè)計(jì)程序。這里硬件選擇了FPGA，程序則是利用HDL語言進(jìn)行編寫，脈沖細(xì)分電路總體設(shè)計(jì)如圖2所示。
2．2 整數(shù)脈沖計(jì)數(shù)器
為了更準(zhǔn)確地對倍頻后的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，在設(shè)計(jì)時，電路采用了2個計(jì)數(shù)器輪流計(jì)數(shù)，指示脈沖控制2個計(jì)數(shù)器交替工作。具體方法是將兩個計(jì)數(shù)器的使能信號分別設(shè)置為1和0，由指示脈沖控制使能信號，在每一個指示脈沖到來時使能信號取反。另外，由于計(jì)數(shù)值很大，為了保證數(shù)值不會溢出，使用32位計(jì)數(shù)器。
2．3 小數(shù)脈沖計(jì)數(shù)單元
由脈沖細(xì)分技術(shù)可知，小數(shù)脈沖計(jì)數(shù)單元是要對指示脈沖上升沿與在其之后的第一個測角脈沖上升沿之間的高頻計(jì)數(shù)時鐘脈沖計(jì)數(shù)。測角脈沖信號是周期性的，而設(shè)計(jì)時要用到的只是指示脈沖之后的第一個陀螺信號的上升沿，這給小數(shù)脈沖計(jì)數(shù)的設(shè)計(jì)帶來了困難，在設(shè)計(jì)時使用了有限狀態(tài)機(jī)。這里主要利用整數(shù)脈沖計(jì)數(shù)單元中設(shè)計(jì)的整數(shù)計(jì)數(shù)器使能信號CLR與測角脈沖信號CH的狀態(tài)組合來設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)，利用狀態(tài)機(jī)輸出小數(shù)脈沖計(jì)數(shù)器的工作使能信號ENA，這里狀態(tài)都是在時鐘CLK上升沿轉(zhuǎn)換。圖3與圖4分別為小數(shù)計(jì)數(shù)器工作時序圖與使能信號狀態(tài)機(jī)。
整數(shù)計(jì)數(shù)器是利用2個使能相反的計(jì)數(shù)器來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，為了同步地對每兩個指示脈沖時間段內(nèi)的整數(shù)與頭小數(shù)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，小數(shù)脈沖計(jì)數(shù)的設(shè)計(jì)也將采用兩種對應(yīng)于整數(shù)脈沖計(jì)數(shù)使能信號的計(jì)數(shù)方式。利用QuartusⅡ?qū)π?shù)脈沖計(jì)數(shù)單元進(jìn)行仿真得到圖5。
圖中C1、C2分別是2個小數(shù)脈沖計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值，輪流進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)值保持到下一個指示脈沖到來，將2個計(jì)數(shù)值或運(yùn)算后輸入寄存器，這樣與上面的整數(shù)脈沖計(jì)數(shù)值同步保存，并方便了串口的讀取。仿真結(jié)果表明，計(jì)數(shù)器工作正常，寄存器n記錄數(shù)據(jù)正確。
2．4 通信單元
通信單元主要功能是倍頻后測角脈沖的整數(shù)脈沖計(jì)數(shù)值，小數(shù)脈沖計(jì)數(shù)值順序發(fā)送至計(jì)算機(jī)。這里使用UART串口方式將數(shù)值進(jìn)行輸出，UART對上述各個計(jì)數(shù)值的順序讀取則通過狀態(tài)機(jī)來完成。編寫程序?qū)⒏哳l時鐘信號進(jìn)行分頻得到UART傳輸時鐘信號。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在轉(zhuǎn)速較高的情況下，對上文提到的某型激光陀螺輸出信號進(jìn)行1毫秒的周期采樣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6。結(jié)果表明，使用脈沖細(xì)分電路后陀螺輸出角度標(biāo)準(zhǔn)差為0．079"，有效提高了測量精度。與理論值0．059"有所偏差，這主要是由電路的計(jì)數(shù)誤差與陀螺本身存在的隨機(jī)游走等誤差因素造成。
4 結(jié)語
對傳統(tǒng)的基于脈沖計(jì)數(shù)的角度測量方法進(jìn)行了誤差分析，提出了一種脈沖細(xì)分技術(shù)并結(jié)合某型激光陀螺進(jìn)行誤差分析，并利用FPGA對該技術(shù)完成硬件實(shí)現(xiàn)，最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。無論是理論分析還是實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，該技術(shù)能夠有效提高測角精度和角度分辨率，為滿足高精度測量的需求打下基礎(chǔ)。