1. 引言
加速度计是捷联惯导系统的重要测量器件之一，主要是用来测量载体沿一定方向的线加速度信息[1]。随着加速度计分辨率的提高，对采集系统的精度要求也越来越高，加速度计采集电路的信号输出质量对捷联惯导系统的性能有着直接的影响[2]。加速度计信号采集的作用是将加速度计输出的模拟信号转化成可用于惯导解算的数字信号。高精度数据采集可以减轻惯导对复杂惯性元件信号的处理工作，更好地完成惯导解解算的参数补偿工作，满足系统更高的实时性要求[3]。
捷联惯性导航系统中其加速度输出范围通常在10−5 g到几十个g之间，且捷联惯导系统最终导航精度很大程度上取决于加速度计的采集精度和数据处理精度。加速度计作为主要的惯性传感器，其输出表现为微弱模拟电流信号[4]。然而如此微小以及宽动态范围的微弱电流信号既不利于高精度的测量，也不利于信号的无损传输，另外后期导航解算计算机无法直接利用该信号进行数字解算并进行补偿[5] [6]。
传统通常使用AD7608和AD7734进行加计信号转换，其中AD7608为SPI接口，转换精度为18位，其芯片自身转换精度不会高于50 ppm；AD7734为SPI接口，转换精度最高为24位，但是转换时间较长，且在实际工程应用中，采集的脉冲数稳定性不高，易出现跳变，噪声大，抗干扰能力差。
文献[7]中采用AD7693作为A/D数据采集系统的核心控制器件，该器件是16位、电荷再分配、差分输入、逐次逼近型的A/D模数转换器件[7]。可看出以A/D采集的数据变化范围小，精度较低。
I/F模块一般采用RS422通信串口，为电流积分型电流转换，是对输入模拟电流的连续测量，因而并不会产生数据的丢失，且能很好地圆滑噪声，因而具有较强的抗干扰能力，模块转换精度一般可达20 ppm之内。
本论文围绕加速度计的信息处理及转换展开研究，在不损失加速度计原有精度的情况下，通过较强抗干扰能力的I/F变换器将加速度计输出的微弱电流模拟信号转换为导航解算板能够识别的数字信号，以便于信号的后续处理。
2. 技术原理
2.1. I/F模块
I/F变换又称之为电流积分型电流转换，电流积分型电路是通过积分电路将电流信号转换为一个与门限电压比较的信号，得到有效的逻辑控制信号，控制极性开关反馈恒定的电流到输入端[8]。
如图1所示，加速度I/F转换电路按照各个模块的功能划分为积分器模块，电压比较器模块，逻辑控制模块，极性开关模块，高精度恒流源模块。
当模拟电流自积分器输入时，积分器不断积分，其积分电压不断增大，当积分电压超过比较器门限值时，比较器输出电压发生翻转，逻辑控制模块接收比较器的输出信号，并通过极性开关开启与输入电流极性相反的恒流源通入积分器输入端，由于恒流源电流绝对值大于输入模拟输入电流，积分电压呈现反积分态势，当积分电压降至比较器另一门限值时，比较器输出电平再次翻转，恒流源断开。如此往复，并最终实现电流到频率的转换[9]。
Figure 1. Block diagram of I/F transformation
图1. I/F变换原理框图
电流积分型I/F变换主要是在反馈回路中通过接入积分电容，先将模拟电流信号转换为锯齿波电压信号后，再转换为频率信号。积分电容的温度系数变化相比于A/D变换中高阻值电阻低一到两个数量级。且由于是对输入模拟电流的连续测量，因而并不会产生数据的丢失，且能很好地圆滑噪声，因而具有较强的抗干扰能力[10] [11]。因此选用I/F变换作为基本变换方案。
本次选用的I/F模块实物如图2所示。
Figure 2. Diagram of I/F module
图2. I/F模块图
I/F模块电流频率转换电路用于将加速度计输出的电流信号转换为脉冲信号，具有以下功能。
1) 电流频率转换功能：每只转换电路包含3路电流频率转换功能；
2) 同步信号接收功能：接收差分同步信号输入，并锁存脉冲计数值，以实现同步采集与同步通讯；
3) 串行协议通信功能：可根据同步信号触发，使用标准RS422协议周期发送脉冲计数值。
2.2. 主要技术指标
1) 输出零位
−20~20 ug；
2) 零位稳定性
小于等于10 ug；
3) 非线性
小于等于50 ppm。
3. 技术实现方案
3.1. 硬件实现
基于中/低精度航姿产品设计I/F模块转接电路板，更换现有A/D转换电路模块。
该电流频率转换电路设计如图3所示，将加速度计的电流信号输出引脚接至转换电路的电流引脚，加速度计参考地接至转换电路的模拟地，RS422接口、同步输入接口连接至导航主机板。加速度计的电流信号转换为数字信号后，根据同步输入的触发信号，产品通过RS422通讯协议将采集结果发送至导航主机板。
Figure 3. Circuit design diagram
图3. 电路设计图
通过FPGA产生同步信号使用RS422差分电平信号，如图4所示，采用边沿触发模式，下降沿触发。为避免毛刺引起误触发，输入的触发信号低电平tL必须大于0.5 us。
Figure 4. Timing diagram of synchronous trigger signal
图4. 同步触发信号时序图
3.2. 软件实现
软件通过RS422接口进行加计数据采集，通信连接如图5所示。波特率默认921600 bps，无校验，数据更新率可设置300 Hz~4.5 KHZ，可根据FPGA将同步信号设置为400 HZ外触发模式数据包格式中，加速度信息以正负向脉冲累计个数的形式输出，对两者求差值即可得到当前帧脉冲计数值，需要将当前帧脉冲计数值减去上帧脉冲计数值即可得到输入模拟信号的数字化值，采集得到本通道加速度计数据，即同步信号400 HZ间隔内加计增量。
Figure 5. Connection diagram of synchronous RS422 communication
图5. 同步RS422通信连接图
软件中增加加速度数据接收及解算模块。
4. 技术验证
4.1. 单板验证
对研制所得I/F模块转换板先进行单板验证，将各项测试数据与原有量化器模块的输出数据进行对比分析，测试项目主要有：
零位：输入电流为零时，产品单位时间内输出脉冲数除以标度因数；
零位稳定性：常温，输入电流为0 mA或悬空时，定时1 s采样得到N1s(n)，测试时间持续1小时；由数据序列N100s(n)的标准差除以常温标度因数；
非线性：测量范围中各测试电流对应的标度因数的标准差除以1 mA对应标度因数。
4.2. 系统验证
基于中低精度航姿产品，陀螺和加速度精度指标见表1所示，更换I/F模块电路后进行系统软硬件调试、测试及验证；替换研制I/F模块电路转接板后，重新进行温度标定和三轴标定，在常温下通电测试，分别进行两次0.5 h转机头纯惯性导航测试和跑车试验。产品跑车安装如图6所示。
Table 1. Component specifications
表1. 元器件指标
名称 |
主要技术指标 |
加计 |
零位重复性：≤100 ppm |
光纤陀螺 |
随机漂移：≤0.1˚/h |
Figure 6. Sports car installation diagram
图6. 跑车安装图
4.3. 试验实施效果
4.3.1. 单板测试
a) 单板测试曲线
1) 零位及稳定性测试如图7、图8和图9所示。
Figure 7. Diagram of X-axis zero position output
图7. X通道零位输出图
Figure 8. Diagram of Y-axis zero position output
图8. Y通道零位输出图
Figure 9. Diagram of Z-axis zero position output
图9. Z通道零位输出图
2) 一次通电稳定性测试如图10、图11和图12所示。
Figure 10. Stability output diagram of X-axis with one-time power-on
图10. X通道一次通电稳定性输出图
Figure 11. Stability output diagram of Y-axis with one-time power-on
图11. Y通道一次通电稳定性输出图
Figure 12. Stability output diagram of Z-axis with one-time power-on
图12. Z通道一次通电稳定性输出图
3) 非线性曲线如图13、图14和图15所示。
b) 单板测试结果
单板测试结果见表2所示。
Figure 13. X-axis nonlinearity test diagram
图13. X通道非线性测试图
Figure 14. Y-axis nonlinearity test diagram
图14. Y通道非线性测试图
Figure 15. Z-axis nonlinearity test diagram
图15. Z通道非线性测试图
Table 2. Single board test results
表2. 单板测试结果
项目 名称 |
零位(ug) |
零位稳定性(ug) |
非线性(ppm) |
指标要求 |
−20~20 |
≤10 |
≤50 |
X |
0.25 |
7.21 |
10.80 |
Y |
1.02 |
7.33 |
23.78 |
Z |
5.44 |
7.33 |
7.99 |
4.3.2. 系统测试
产品完成对准进入导航，掉头180˚后，进行两次30 min测试，导航精度见表3；
将产品安装在我厂试验车上，产品对准进入导航后，30 min导航精度见表4；
产品两次跑车试验曲线分别为图16~21。
Table 3. Product 30 minutes turnaround pure inertial navigation test accuracy (RMS)
表3. 产品30 min掉头纯惯导航测试精度(RMS)
项目 名称 |
东向速度(m/s) |
北向速度(m/s) |
经度(RMS) (m) |
纬度(RMS) (m) |
位置误差(nmile/30 min) |
指标要求 |
4 |
4 |
/ |
/ |
3 |
第一次测试 |
1.28 |
2.19 |
1073.11 |
3989.47 |
2.23 |
第二次测试 |
0.98 |
3.61 |
1376.18 |
3691.54 |
2.12 |
Table 4. Product 30 minutes sports car pure inertial navigation test accuracy (RMS)
表4. 产品30 min跑车纯惯导航测试精度(RMS)
项目 名称 |
东向速度(m/s) |
北向速度(m/s) |
经度(RMS) (m) |
纬度(RMS) (m) |
位置误差(nmile/30 min) |
指标要求 |
4 |
4 |
/ |
/ |
3 |
第一次跑车 |
0.90 |
2.32 |
484.49 |
2642.57 |
1.43 |
第二次跑车 |
2.02 |
1.47 |
860.71 |
1110.92 |
0.76 |
Figure 16. Trajectory diagram of first vehicle
图16. 第一次跑车轨迹图
Figure 17. First position error curve
图17. 第一次位置误差曲线图
Figure 18. First speed error curve
图18. 第一次速度误差曲线图
Figure 19. Trajectory diagram of second vehicle
图19. 第二次跑车轨迹图
Figure 20. Second position error curve
图20. 第二次位置误差曲线图
Figure 21. Second speed error curve
图21. 第二次速度误差曲线图
5. 结论
本文研究了I/F模块量化技术，通过软硬件实现了基于I/F模块转化的加速度信号采集，分别进行了单板测试、掉头试验和跑车试验。试验结果表明，使用I/F模块采集加速度信号可不损失其精度，单板测试满足自身指标，系统测试完全优于原方案中A/D转换采集加速度信号后系统指标，满足了系统指标要求，证明了该方案可行。