首页 / 专利库 / 电脑编程 / 算法 / 基于CPU+FPGA的光纤惯导温度控制系统及方法

基于CPU+FPGA的光纤惯导温度控制系统及方法

阅读:273发布:2021-04-14

专利汇可以提供基于CPU+FPGA的光纤惯导温度控制系统及方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 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。,下面是基于CPU+FPGA的光纤惯导温度控制系统及方法专利的具体信息内容。

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。
6.根据权利要求5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。
7.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,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。
8.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
9.一种基于CPU+FPGA的光纤惯导温度控制方法,其特征在于,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。
10.根据权利要求9所述的基于CPU+FPGA的光纤惯导温度控制方法,其特征在于,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。

说明书全文

基于CPU+FPGA的光纤惯导温度控制系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及温度控制领域,具体涉及一种基于CPU+FPGA的光纤惯导温度控制系统及方法。

背景技术

[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。

发明内容

[0005] 本发明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。
[0006] 为了达到上述目的,本发明提供了基于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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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
[0014] 本发明还提供了一种基于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。
[0015] 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。
[0016] 本发明显著优点为:
[0017] (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。
[0018] (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。
[0019] (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
[0020] 图1为本发明的温度控制系统的结构示意图。
[0021] 图2为分时复控算法示意图。

具体实施方式

[0022] 以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
[0023] 结合图1,本发明基于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。
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 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。
[0027] 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。
[0028] 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,使功率驱动电路5产生脉宽可调的电流,以控制所述的加热片的加热温度。
[0029] 所述的CPU与所述的FPGA通信,所述的CPU用于对采集的温度信息做算法数据处理,针对铂电阻(例如PT1000)随着温度变化产生的非线性特点,在不同的温度范围内拟合温漂曲线,建立一个精确数学解析关系式完成精确温度解算。
[0030] 所述的CPU根据实验标定的温度参数,对所述的A/D采集转换电路4采集的温度信息进行采集温度的误差补偿。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。
[0031] CPU根据测量温度与设定温度差值大于5℃执行全速加热或全速制冷,加热或制冷的速度依靠FPGA对外输出的数字量实现,数字量越大加热电流越大,加温越快,反之制冷输出数字量越小,降温越快。当二者的差值在5℃以内时,FPGA按照设计的PID控制方式进行加热。
[0032] 在温度补偿后CPU对各个元件的温度信息进行汇总,计算对应元件在不同温度所需要的加热电流大小,将所述的元件进行若干种组合,分时控制,以减小供电电源输出电流的幅值。
[0033] 实施例1
[0034] 对温控进行优化设计,采用分时复合温控方案,首先在温度采集精度方面,CPU根据实验标定的温度参数对采集的温度数据进行误差补偿,补偿采用三段式方法,将温度区间分为三段式曲线,针对不同的温度区间进行对应的温度修正以提高实时温度数据的精度从而达到更高的温控精度。
[0035] 分时复控算法:在进行温度修正后,对三路陀螺1、三路加表2、支架3的温度进行汇总,算法上计算对应各个元件不同温度所需要的加热电流大小,将7路元件进行两种组合,分时控制。
[0036] 如图2所示,7路元件的两种组合为:两路陀螺1分为第一组,一路陀螺1和三路加表2及支架3分为第二组,分组原则根据各个元件加热所需的电流决定,使其组合后各组所需要的电流尽量相同。图2示例的组合第一组和第二组所需要的电流在各个温度段几乎相同。
[0037] 温控开始,算法实现上控制供电电源先对第一组元件组合进行供电,在达到算法温度后输出极小加热数字量,稳定温度后再对第二组元件组合输出相应数字量进行温度控制,随后继续第一组温度控制,第二组温度控制。多次循环一二组组合温度控制,最终达到指定温度点。FPGA接口输出的加热数字量由CPU算法实现,加热数字量越大,电流越大,加热数字量越小,电流越小。
[0038] 根据此计算原理输出加热数字量,FPGA将加热数据通过RS422串口输出加热功率驱动电路,这样不仅可以大大减少电源输出电流的幅值,而且在整个加热区间电流变化更平稳,功耗更小,又能提高控制精度。
[0039] 综上所述,本发明的基于CPU+FPGA的光纤惯导多级温度复合控制系统及方法,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,更加适用于飞行器所使用的光纤惯导组合的温度控制。
[0040] 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍,但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后,对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此,本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
高效检索全球专利

专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台,是提供专利分析,专利查询,专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。

我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据,免费查、免费专利分析。

申请试用

分析报告

专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析,涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度,系统通过AI智能系统对图表进行解读,只需1分钟,一键生成行业专利分析报告。

申请试用

QQ群二维码
意见反馈