基于CPU+FPGA的光纤惯导温度控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于CPU+FPGA的光纤惯导温度控制系统及方法，该系统包含：光纤惯导的元件、铂电阻、A/D采集转换电路、功率驱动电路、加热片、FPGA、CPU、供电电源；元件为陀螺、加表或支架；CPU与FPGA数据交互后，CPU对FPGA接收的温度信息进行温度补偿，在温度补偿后对元件的温度信息进行汇总，计算对应元件所需要的加热电流大小，将元件划分为若干种组合，供电电源交替对若干种组合进行供电，使得元件达到指定的温度。本发明专利技术依靠CPU误差补偿算法提高采集温度的精度，FPGA+CPU相互配合提高温控系统实时性，采用分时复控的温控算法降低功耗和工作电流，提高了温控系统的安全性和控制精度。

Temperature control system and method of optical fiber INS based on CPU + FPGA

【技术实现步骤摘要】
基于CPU+FPGA的光纤惯导温度控制系统及方法
本专利技术涉及温度控制领域，具体涉及一种基于CPU+FPGA的光纤惯导温度控制系统及方法。
技术介绍
考虑到复杂外界环境下光纤惯导的精度和可靠性问题，为保证光纤惯导的精度需要，对光纤惯导测量元件进行温度控制，使其工作在最适温度环境下。同时，实时性也是光纤惯导的重要精度保证因素。因此，这就需要对光纤惯导进行温度控制和保证数据的实时性。目前，常用的温度控制方案是利用FPGA实现，设计上采用温度传感器采集光纤惯导内部温度，在此基础上通过简单的PID控制，调节光纤惯导贴加的加热片输出功率，实现温度环境的保持。对于飞行器而言，这种温度控制电路存在以下四个缺点：(1)电流大：一般情况下，光纤惯导由3个陀螺，3个加表，1个支架以上所构成，温控开始初期多路测量元件同时开始温控导致初期加热电流增大，功耗发热严重，对上级系统供电要求较高。(2)实时性：前期由于温度与预设的最佳温度差较大，会导致温控工作阶段初期温度上升较快，但随着温度差异逐渐变小，温控精度逐渐下降，整个控温过程较长。(3)精度不足：FPGA的运算能力有限，无法使用复杂可靠的算法实现控温，只能单一的使用PID控制算法实现。综上，目前常用温度控制电路算法和电路设计在安全性、精度和实时性上与需求存在一定的差距。因此，对光纤惯导的温控进行优化设计是必要的。
技术实现思路
本专利技术的目的是对光纤惯导的温控进行优化设计，以获得能够快速数据处理的低功耗高精度温控电路。为了达到上述目的，本专利技术提供了基于CPU+FPGA的光纤惯导温度控制系统，该系统包含：若干个光纤惯导的元件、若干个铂电阻、A/D采集转换电路、若干个功率驱动电路、若干个用于对所述元件进行加热的加热片、FPGA、CPU、供电电源；所述的元件包含陀螺、加表或支架；所述的加热片分别固定在所述的元件上；所述的加热片分别连接有所述的功率驱动电路；所述的元件还分别连接有所述的铂电阻，以分别输出所述元件的温度信息；所述的A/D采集转换电路用于采集所述的温度信息；所述的FPGA用于接收所述A/D采集转换电路采集的温度信息，并与所述的CPU进行数据交互后，对所述的功率驱动电路产生的电流大小进行调节，以控制所述的加热片的加热温度；所述的CPU与所述的FPGA数据交互后，所述的CPU对FPGA接收的温度信息进行温度补偿，在温度补偿后对所述元件的温度信息进行汇总，计算对应元件所需要的加热电流大小，将所述的元件划分为若干种组合，所述的供电电源交替对所述的若干种组合进行供电，使得所述的元件达到指定的温度。较佳地，所述的温度补偿包含：CPU根据实验标定的温度参数，对所述的A/D采集转换电路采集的温度信息进行采集温度的误差补偿。较佳地，所述的温度补偿还包含：CPU将温度区间分为三段曲线，针对不同的温度区间进行对应的温度修正以提高温控精度。较佳地，所述的元件包含：三个陀螺、三个加表及一个支架共7路元件。较佳地，对所述的元件加热时，7路元件划分为两组，其中两个陀螺分为第一组，一个陀螺和三个加表及支架分为第二组。较佳地，所述的CPU根据设定的算法计算出每组元件的算法温度，供电电源先对第一组元件进行供电，在达到算法温度并且温度稳定后，再对第二组元件进行供电，使第二组元件达到其算法温度，再继续对第一组元件和第二组元件交替供电，以使所述的元件达到指定的温度。较佳地，该系统还包含：RS422串口；所述的FPGA与所述的CPU进行数据交互后，获得加热数据，加热数据通过RS422串口输出至所述的功率驱动电路，以对所述的功率驱动电路产生的电流大小进行调节。较佳地，所述的A/D采集转换电路包含：差分放大器和AD转换器；所述的铂电阻输出阻值信号至差分放大器，获得的模拟电压经AD转换器转化为温度数字信号。本专利技术还提供了一种基于CPU+FPGA的光纤惯导温度控制方法，该方法包含：步骤(1)，A/D采集转换电路采集光纤惯导元件的温度信息；FPGA接收所述A/D采集转换电路采集的温度信息，并与CPU进行数据交互；步骤(2)，所述的CPU对FPGA接收的温度信息进行温度补偿，在温度补偿后对所述元件的温度信息进行汇总，计算对应元件所需要的加热电流大小，并将所述的元件划分为若干种组合；步骤(3)，所供电电源交替对所述的若干种组合进行供电，使得所述的元件达到指定的温度。较佳地，所述的CPU根据设定的算法计算出每组元件的算法温度，供电电源先对第一组元件进行供电，在达到算法温度并且温度稳定后，再对第二组元件进行供电，使第二组元件达到其算法温度，再继续对第一组元件和第二组元件交替供电，以使所述的元件达到指定的温度。本专利技术显著优点为：(1)实时性，采用FPGA+CPU的组合温控，CPU弥补FPGA的算法不足，FPGA弥补CPU的时序性，两者结合实现快速准确的温控系统。(2)高精度温度，即CPU在对采集的温度数据进行拟合补偿运算，实现高精度的温度检测。(3)分时复控算法，将多路陀螺，加表，支架进行单路组合，分时控制，避免传统温控采用的同时段加热时电流过大问题，此过程CPU根据采集的各路敏感元件温度数据进行实时运算合理分配组合方式，实现低功耗，低电流，高可靠性的加热效果。附图说明图1为本专利技术的温度控制系统的结构示意图。图2为分时复控算法示意图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术的技术方案做进一步的说明。结合图1，本专利技术基于CPU+FPGA的光纤惯导多级温度复合控制系统，整体上是一种可编程的温控系统，CPU+FPGA的组合可以克服FPGA处理数据速度不足与CPU时序性不强的缺点，二者相互取长补短，FPGA负责接口控制，CPU负责温控算法实现。该系统包含：若干个光纤惯导的元件、若干个铂电阻(图中未示)、A/D采集转换电路4、若干个功率驱动电路5、若干个用于对所述元件进行加热的加热片(图中未示)、FPGA、CPU、供电电源；所述的元件为陀螺1、加表2和支架3。光纤惯导的元件包含三个陀螺1、三个加表2及一个支架3。加热片固定在各个陀螺1、加表2、支架3等元件上，提供加热温度。所述的加热片分别连接有功率驱动电路5，功率驱动电路5的电流作用在加热片上加热对应的陀螺1、加表2、支架3等敏感元件。光纤惯导的各个元件还分别连接有铂电阻，铂电阻是温度传感器，根据环境温度的变化输出不同的阻值信号，作为各个元件的温度信息。所述的A/D采集转换电路4用于采集铂电阻提供的温度信息，具体为：所述的A/D采集转换电路4包含差分放大器和AD转换器；所述的铂电阻输出阻值信号至差分放大器，获得的模拟电压经AD转换器转化为温度数字信号。所述的FPGA用于接口数据交互，接收所述A/D采集转换电路4采集的温度信息，即所述的温度数字信号，将数据存储在RAM中，通过RAM与CPU进行数据通信，根据CPU的算法实现输出数字量(加热数据)，加热数据通过RS422串口输出至所述的功率驱动电路5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于CPU+FPGA的光纤惯导温度控制系统，其特征在于，该系统包含：若干个光纤惯导的元件、若干个铂电阻、A/D采集转换电路、若干个功率驱动电路、若干个用于对所述元件进行加热的加热片、FPGA、CPU、供电电源；所述的元件包含陀螺、加表或支架；/n所述的加热片分别固定在所述的元件上；所述的加热片分别连接有所述的功率驱动电路；/n所述的元件还分别连接有所述的铂电阻，以分别输出所述元件的温度信息；/n所述的A/D采集转换电路用于采集所述的温度信息；/n所述的FPGA用于接收所述A/D采集转换电路采集的温度信息，并与所述的CPU进行数据交互后，对所述的功率驱动电路产生的电流大小进行调节，以控制所述的加热片的加热温度；/n所述的CPU与所述的FPGA数据交互后，所述的CPU对FPGA接收的温度信息进行温度补偿，在温度补偿后对所述元件的温度信息进行汇总，计算对应元件所需要的加热电流大小，将所述的元件划分为若干种组合，所述的供电电源交替对所述的若干种组合进行供电，使得所述的元件达到指定的温度。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于CPU+FPGA的光纤惯导温度控制系统，其特征在于，该系统包含：若干个光纤惯导的元件、若干个铂电阻、A/D采集转换电路、若干个功率驱动电路、若干个用于对所述元件进行加热的加热片、FPGA、CPU、供电电源；所述的元件包含陀螺、加表或支架；
所述的加热片分别固定在所述的元件上；所述的加热片分别连接有所述的功率驱动电路；
所述的元件还分别连接有所述的铂电阻，以分别输出所述元件的温度信息；
所述的A/D采集转换电路用于采集所述的温度信息；
所述的FPGA用于接收所述A/D采集转换电路采集的温度信息，并与所述的CPU进行数据交互后，对所述的功率驱动电路产生的电流大小进行调节，以控制所述的加热片的加热温度；
所述的CPU与所述的FPGA数据交互后，所述的CPU对FPGA接收的温度信息进行温度补偿，在温度补偿后对所述元件的温度信息进行汇总，计算对应元件所需要的加热电流大小，将所述的元件划分为若干种组合，所述的供电电源交替对所述的若干种组合进行供电，使得所述的元件达到指定的温度。


2.根据权利要求1所述的基于CPU+FPGA的光纤惯导温度控制系统，其特征在于，所述的温度补偿包含：CPU根据实验标定的温度参数，对所述的A/D采集转换电路采集的温度信息进行采集温度的误差补偿。


3.根据权利要求2所述的基于CPU+FPGA的光纤惯导温度控制系统，其特征在于，所述的温度补偿还包含：CPU将温度区间分为三段曲线，针对不同的温度区间进行对应的温度修正以提高温控精度。


4.根据权利要求1所述的基于CPU+FPGA的光纤惯导温度控制系统，其特征在于，所述的元件包含：三个陀螺、三个加表及一个支架共7路元件。


5.根据权利要求4所述的基于CPU+FPGA的光纤惯导温度控制系统，其特征在于，对所述的元件加热时，7路元件划分为两组，其中两个陀螺分为第一组，一个陀螺和三个加表及支架分为第二组。

【专利技术属性】
技术研发人员：高福隆，邵添羿，吴枫，谷丛，石然，刘洋，肖波，
申请(专利权)人：上海航天控制技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31