一种基于MicroBlaze的数字硅陀螺闭环驱动系统的设计与验证

摘要

本课题在分析数字硅陀螺的工作原理以及相频特性的基础上，设计出基于输入驱动信号与传感器结构中质量块受迫运动相应信号的相位关系的数字硅陀螺闭环驱动系统，构建基于 FPGA的全数字频率锁定回路。系统整体算法由二分法与傅立叶变换谱分析法相结合，求解的精度可以由逼近的次数来控制。在MicroBlaze软核的控制下，系统中的数字信号发生模块DDS实现数字信号的发生以及快速频率转换，数字信号处理模块 FFT实现对质量块驱动响应信号的采集以及利用傅里叶变换谱分析算法计算相位差。最后，对系统各个模块以及整体系统进行仿真，并且在实际测试板上运行测试通过。相对于现有的测量方法，本课题提出一种成本低、实施简单、精度高的硅微机械陀螺谐振频率测量方案，对国内微机械陀螺的研究工作有一定的积极意义。
　　在系统的整体结构设计中，本课题对数字信号发生模块DDS和数字信号处理模块FFT分别进行了设计与验证。数字信号发生模块DDS采用直接数字合成技术，能够实现较高的频率分辨率以及快速频率转换，输出正弦波在课题要求的陀螺谐振频率范围内(2KHz到10KHz)较为正常，波形无明显失真，相应频率控制字范围为8589935到42949673，且最小频率步进值为0.000234Hz，满足课题要求。数字信号处理模块FFT利用ISE13.3提供的IP core配置而成，选择逻辑资源使用较少的Radix-2 Lite，Burst I/O结构，对其中各个模块以及整体进行仿真，证明其逻辑正确，整体计算时间大约为2.6ms。
　　利用CIP工具在EDK环境下配置用户自定义外设模块，调用FPGA中的存储器和存储控制器配合用户自定义外设模块对整体系统进行搭建，根据系统主函数流程图和fft函数流程图编写系统软件程序。利用ChipScope对系统产生的正弦波波形进行抓取，分别设置输出正弦波频率为2KHz、6KHz和10KHz，结果显示输出信号为16位有符号数，整体波形符合验证要求。通过在验证平台上搭建硬件结构virtual gyroscope来验证系统整体功能，结果显示数字硅陀螺闭环驱动系统完全满足课题要求，可对陀螺谐振频率进行精确测量，测量误差控制在0.1Hz以内。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1课题背景

1.2国内外研究现状

1.3本课题的目的和意义

1.4课题的主要内容

第2章 闭环驱动系统算法的设计与验证

2.1微机械陀螺静电驱动原理分析

2.2傅里叶变换谱分析算法原理分析

2.3系统算法模型的搭建与验证

2.4本章小结

第3章 微机械陀螺闭环驱动系统设计与仿真

3.1系统整体结构设计

3.2数字信号发生模块设计

3.3数字信号处理模块设计

3.4本章小结

第4章 基于MicroBlaze闭环系统搭建

4.1系统开发环境及设计流程

4.2闭环驱动系统搭建

4.3本章小结

第5章 系统板级验证

5.1 FPGA下载与调试

5.2系统验证

5.3本章小结

第6章 结论与展望

6.1课题结论

6.2工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

声明

致谢