本發(fā)明涉及一種集成化核磁共振陀螺溫度閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，用于對(duì)核磁共振陀螺儀的核心敏感器件堿金屬氣室進(jìn)行高精度的溫度控制裝置。適用于高精度小體積的核磁共振陀螺樣機(jī)，該控制裝置同樣適用于serf原子自旋陀螺儀、核磁共振陀螺等原子陀螺儀，以及serf原子磁強(qiáng)計(jì)以及核磁共振磁強(qiáng)計(jì)的高精度溫度閉環(huán)控制。

背景技術(shù)：

陀螺儀決定了慣導(dǎo)系統(tǒng)的成本和精度，核磁共振陀螺儀具備高精度和微小體積的優(yōu)勢(shì)，能夠滿(mǎn)足新一代高新技術(shù)武器裝備發(fā)展的迫切需求。同時(shí)，核磁共振陀螺儀具備光學(xué)陀螺儀的精度，微機(jī)電陀螺儀的成本，對(duì)于慣性導(dǎo)航進(jìn)入民用導(dǎo)航具有巨大的潛在價(jià)值。

核磁共振陀螺儀之中，堿金屬氣室是物理表頭的核心敏感器件，氣室中充有堿金屬氣體。原子自旋陀螺儀角速率檢測(cè)是通過(guò)檢測(cè)堿金屬電子自旋而實(shí)現(xiàn)的，提高堿金屬原子的環(huán)境溫度從而提高原子密度，可以增強(qiáng)輸出信號(hào)的強(qiáng)度。當(dāng)然，原子源的加熱溫度過(guò)高，原子源密度越大，原子之間的碰撞越劇烈，原子的自旋交換弛豫也就越顯著，導(dǎo)致弛豫時(shí)間縮短，量子噪聲增大，這樣又從另一個(gè)角度限制了原子敏感器件和系統(tǒng)的檢測(cè)精度。這就需要對(duì)氣室加熱溫度進(jìn)行高精度的控制。其閉環(huán)控制的精度與陀螺儀輸出性能指標(biāo)，如精度、漂移、噪聲特性等密切相關(guān)。

實(shí)驗(yàn)室中現(xiàn)有的核磁共振陀螺儀氣室的溫度控制采用商用儀器，而商用儀器本身存在較多限制與弊端：1、功能單一，不能靈活設(shè)定溫度，pid參數(shù)等參數(shù)；2、體積龐大，現(xiàn)有商用儀器體積龐大，集成度低，不利于陀螺儀表頭與電路后續(xù)的小型化與集成化。

集成化核磁共振陀螺溫度閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于：1、功能豐富，可以靈活設(shè)置溫控參數(shù)，便于實(shí)驗(yàn)調(diào)試；2、體積小，集成度高，便于與陀螺儀整體控制電路進(jìn)行集成，為后續(xù)核磁共振陀螺儀的集成化、產(chǎn)品化的推進(jìn)起著至關(guān)重要的作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明著力于解決核磁共振陀螺儀溫度的高精度控制依靠大型商用儀器而難以小型化、集成化的問(wèn)題。堿金屬氣室作為核磁共振陀螺儀核心敏感器件，工作時(shí)需要進(jìn)行高溫加熱。溫度的穩(wěn)定性會(huì)制約陀螺儀的各個(gè)參數(shù)指標(biāo)的提升，進(jìn)而加熱時(shí)就需要對(duì)溫度進(jìn)行高精度控制?，F(xiàn)有的溫度閉環(huán)控制依靠大型商用儀器，功能固定，并且難以進(jìn)行集成化、小型化。本發(fā)明著力解決這些問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)氣室溫度的高精度控制，并且進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)，推進(jìn)核磁共振陀螺儀整體樣機(jī)的集成化。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種集成化核磁共振陀螺溫度閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，包括：

測(cè)溫模塊，將高精度測(cè)溫電阻的阻值讀入，并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；

fpga模塊，將測(cè)溫模塊的數(shù)據(jù)通過(guò)信號(hào)接口讀入，獲取對(duì)應(yīng)溫度的電壓數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理，并通過(guò)xintf總線與dsp模塊進(jìn)行通信；

dsp模塊，通過(guò)xintf總線與fpga模塊進(jìn)行通信，獲取溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)程序內(nèi)部設(shè)定溫度點(diǎn)進(jìn)行比較，進(jìn)行pid控制，將產(chǎn)生的控制信號(hào)傳輸給da模塊；

信號(hào)發(fā)生模塊，包括數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和dds信號(hào)發(fā)生模塊，其中，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊將控制電路產(chǎn)生的控制信號(hào)從數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，輸出給dds信號(hào)發(fā)生芯片，對(duì)其進(jìn)行調(diào)制；dds信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生正弦波信號(hào)，由數(shù)模轉(zhuǎn)換信號(hào)對(duì)其進(jìn)行調(diào)制幅值大小，輸出給功率放大模塊；

功率放大模塊，將dds信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行功率放大，施加在加熱電阻兩端，實(shí)現(xiàn)對(duì)于堿金屬氣室的高精度溫度控制；

無(wú)磁加熱膜，包括低溫漂高精度測(cè)溫電阻和無(wú)磁對(duì)繞式加熱電阻，分別負(fù)責(zé)測(cè)溫和加熱。

其中，所述的fpga模塊包括配置芯片、fpga時(shí)鐘電路、fpga電源模塊及fpga芯片，由fpga模塊完成對(duì)核磁共振陀螺氣室溫度信號(hào)的傳輸處理。

其中，dsp模塊包括dsp芯片、dsp時(shí)鐘電路、下載接口電路、外擴(kuò)flash存儲(chǔ)器和dsp電源模塊，dsp模塊按照一定的控制算法完成對(duì)核磁共振陀螺溫度控制量的生成。

其中，測(cè)溫模塊使用ad1248芯片，采用四線制測(cè)溫讀取被測(cè)電阻兩端電壓。

其中，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊使用了ad5620，將dsp輸出的控制數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，對(duì)dds信號(hào)發(fā)生模塊進(jìn)行調(diào)制。

其中，dds信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生正弦波，幅值大小由da數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊調(diào)制。

其中，功率放大模塊將dds信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行放大，加在加熱電阻兩端，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣室溫度的閉環(huán)控制。

本發(fā)明的原理在于：所述集成化核磁共振陀螺溫度閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，由以下幾個(gè)模塊組成：測(cè)溫模塊、fpga模塊、dsp模塊、信號(hào)發(fā)生模塊、功率放大模塊和加熱膜模塊。由測(cè)溫模塊將高精度測(cè)溫電阻的阻值讀入，并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；由信號(hào)接口將主板fpga模塊與子板測(cè)溫模塊連接，將測(cè)溫模塊的電壓信號(hào)傳輸給fpga模塊；fpga模塊將測(cè)溫模塊的數(shù)據(jù)通過(guò)信號(hào)接口讀入，獲取對(duì)應(yīng)溫度的電壓數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理，并通過(guò)xintf總線與dsp模塊進(jìn)行通信；dsp模塊獲取溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)程序內(nèi)部設(shè)定溫度點(diǎn)進(jìn)行比較，對(duì)其進(jìn)行pid控制，將產(chǎn)生的控制信號(hào)傳輸給da模塊；數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊將控制電路產(chǎn)生的控制信號(hào)從數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，輸出給dds信號(hào)發(fā)生模塊，對(duì)其進(jìn)行調(diào)制；dds信號(hào)發(fā)生模塊將數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片產(chǎn)生的模擬電壓對(duì)產(chǎn)生的波形進(jìn)行調(diào)制，控制輸出信號(hào)的幅值大小，輸出給功率放大模塊；功率放大模塊將dds模塊產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行功率放大，施加在加熱電阻兩端，進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)對(duì)于堿金屬氣室的高精度溫度控制。

本發(fā)明與現(xiàn)有對(duì)核磁共振陀螺氣室溫控的商用設(shè)備比較具有以下特點(diǎn)：

(1)較實(shí)驗(yàn)室通用的商用儀器而言，本發(fā)明具有功能靈活的優(yōu)點(diǎn)：溫度閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)可以針對(duì)核磁共振陀螺儀氣室溫度的需要進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制，便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，提高核磁共振陀螺氣室溫度的控制精度，替代原有較為固化的控制方法。

(2)本發(fā)明結(jié)構(gòu)靈活，有較強(qiáng)的通用性，適于模塊化設(shè)計(jì)，可以與陀螺儀其他信號(hào)的控制模塊集成，如磁場(chǎng)閉環(huán)控制模塊、激光器穩(wěn)頻模塊等，以此縮減電路規(guī)模，減小體積，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低維護(hù)難度，便于擴(kuò)展，適于實(shí)時(shí)信號(hào)處理與控制。

(3)本發(fā)明集成度高，替代原有商用儀器，大幅度減小系統(tǒng)體積和控制器功耗，為核磁共振陀螺小型化和工程化奠定基礎(chǔ)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組成框圖；

圖2為本發(fā)明的測(cè)溫模塊電路圖；

圖3為本發(fā)明的接口部分電路圖；

圖4為本發(fā)明的信號(hào)發(fā)生模塊電路圖；

圖5為本發(fā)明的功率放大模塊電路圖。

圖中附圖標(biāo)記含義為：1為堿金屬氣室，2為測(cè)溫電阻，3為無(wú)磁加熱膜，4為加熱電阻，5為功率放大模塊，6為信號(hào)發(fā)生模塊，7為數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，8為dds信號(hào)發(fā)生模塊，9為測(cè)量電路，10為測(cè)溫模塊，11為溫控電路部分，12為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，13為fpga電源模塊，14為fpga時(shí)鐘電路，15為配置芯片，16為dsp時(shí)鐘電路，17為下載接口電路，18為核心控制電路，19為外擴(kuò)flash存儲(chǔ)器，20為dsp電源模塊，21為dsp模塊，22為dsp芯片，23為fpga模塊，24為fpga芯片。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施方式進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明的硬件模塊主要由堿金屬氣室1、無(wú)磁加熱膜3、溫控電路部分11、核心控制電路18和功率放大模塊5這幾部分組織成。

其中，無(wú)磁加熱膜3由低溫漂的測(cè)溫電阻2和對(duì)繞式加熱電阻4構(gòu)成。溫控電路部分11由測(cè)溫模塊10和信號(hào)發(fā)生模塊6構(gòu)成。測(cè)溫模塊10包括測(cè)量電路9和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊12，信號(hào)發(fā)生模塊6包括數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊7和dds信號(hào)發(fā)生模塊8。核心控制電路模塊18包括dsp模塊21和fpga模塊23。dsp模塊包括dsp芯片22、dsp時(shí)鐘電路16、下載接口電路17、外擴(kuò)flash存儲(chǔ)器19和dsp電源模塊20。fpga模塊23包fpga芯片24、配置芯片15、fpga時(shí)鐘電路14及fpga電源模塊13。

如圖2所示，新型加熱膜貼合與堿金屬氣室外壁，由測(cè)溫電阻敏感氣室溫度，實(shí)現(xiàn)氣室溫度測(cè)量，將溫度轉(zhuǎn)化為阻值，由測(cè)量電路讀入，采取四線制測(cè)溫方法以消除測(cè)量導(dǎo)線所引入的誤差。經(jīng)過(guò)ads1248芯片所構(gòu)成的ad電路，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。

如圖3所示，為dc3-40p所構(gòu)成的接口模塊，負(fù)責(zé)將溫控子電路板中，ad測(cè)溫部分的數(shù)字量由接口傳輸給核心控制電路的主板部分，并將主板產(chǎn)生的供電電壓傳輸給溫控子電路板，并對(duì)溫控子電路版的配置接口進(jìn)行配置，選擇功能。此外，在核心控制電路主板對(duì)溫控信號(hào)進(jìn)行pid控制之后，將控制信號(hào)通過(guò)接口模塊傳輸給溫控子電路板。

如圖4所示，為溫控子電路板中的信號(hào)發(fā)生模塊，包括da數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和dds信號(hào)發(fā)生模塊。其中，da數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊使用了ad5620芯片，將dsp輸出的控制數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，實(shí)現(xiàn)對(duì)dds信號(hào)發(fā)生模塊進(jìn)行調(diào)制。dds信號(hào)發(fā)生模塊使用了ad9834芯片，產(chǎn)生正弦波，幅值大小由da數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊調(diào)制，將正弦波信號(hào)傳輸給功放電路部分。

如圖5所示，由于功放電路模塊功率較大，避免其他控制模塊產(chǎn)生信號(hào)串?dāng)_，將功放模塊單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)功放子電路板。功率放大模塊分為兩級(jí)放大，將dds信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行放大，加在加熱電阻兩端，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣室溫度的閉環(huán)控制。其中，一級(jí)放大有opa627芯片實(shí)現(xiàn)，二級(jí)放大由pa96芯片實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明所采用的fpga芯片為xilinx公司的spartan6系列的xc6slx150芯片，擁有484個(gè)管腳，總共有bank0、bank1、bank2、bank3共4個(gè)bank區(qū)，i/o數(shù)量達(dá)到338個(gè)，豐富的i/o資源滿(mǎn)足磁場(chǎng)閉環(huán)控制電路系統(tǒng)的需求；該芯片采用50m的晶振做為系統(tǒng)時(shí)鐘，內(nèi)部集成有180個(gè)18×18位的乘法器，保證了載波調(diào)制頻率解調(diào)模塊和核子諧振頻率解調(diào)模塊的高速執(zhí)行。該芯片對(duì)調(diào)制頻率信號(hào)進(jìn)行采樣，完成信號(hào)解調(diào)，并把解調(diào)量通過(guò)xintf總線與dsp通信，根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的驅(qū)動(dòng)時(shí)序邏輯為電源電路提供磁場(chǎng)閉環(huán)控制模擬量。