基于FPGA的慣導(dǎo)組合數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：利用FPGA并行處理的特點(diǎn)及其豐富的I／O接口，在此設(shè)計(jì)了一種針對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的組合數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集慣導(dǎo)系統(tǒng)所需的IMU和GPS數(shù)據(jù)，能夠根據(jù)需要產(chǎn)生任意占空比的PWM控制信號(hào)，該系統(tǒng)預(yù)留了豐富的I／O接口，方便和DSP等處理器進(jìn)行無(wú)縫連接。測(cè)試結(jié)果表明，通過(guò)這種方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，體積小，可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。
關(guān)鍵詞：捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)；FPGA；IMU；GPS；PWM

0 引言
    捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)是將慣性敏感器件陀螺儀和加速度計(jì)直接安裝在運(yùn)載體上，是不需要穩(wěn)定平臺(tái)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)內(nèi)的姿態(tài)矩陣實(shí)時(shí)解析計(jì)算而得到一個(gè)數(shù)學(xué)平臺(tái)，該平臺(tái)起到在慣性空間始終保持所要求姿態(tài)的作用。由于捷聯(lián)慣導(dǎo)的數(shù)學(xué)平臺(tái)代替了穩(wěn)定平臺(tái)，這要求導(dǎo)航計(jì)算機(jī)必須具有很高的運(yùn)算速度和精度。由于純慣導(dǎo)系統(tǒng)的速度、位置信息誤差隨時(shí)間積累，隨著導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，慣性測(cè)量單元(IMU)提供的數(shù)據(jù)難以完成精度較高的長(zhǎng)期導(dǎo)航任務(wù)。這就需要在長(zhǎng)期導(dǎo)航任務(wù)中引入GPS進(jìn)行輔助導(dǎo)航，但是GPS數(shù)據(jù)自主性差，發(fā)射的信號(hào)容易受到外部干擾，接收機(jī)數(shù)據(jù)更新頻率低，單獨(dú)使用難以滿足導(dǎo)航實(shí)時(shí)要求。通過(guò)將IMU與GPS組合構(gòu)成的導(dǎo)航系統(tǒng)可以克服兩者單獨(dú)工作的缺點(diǎn)，互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，更好地完成導(dǎo)航任務(wù)。IMU，GPS數(shù)據(jù)的兩者融合正是通過(guò)IMU-GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。
    根據(jù)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA實(shí)現(xiàn)IMU-GPS數(shù)據(jù)采集及PWM控制的系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)IMU數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)的同時(shí)采集，可以根據(jù)需要產(chǎn)生任意占空比的PWM控制信號(hào)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    慣導(dǎo)和GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)要求既要具有高速實(shí)時(shí)的計(jì)算能力，也要具有豐富的外設(shè)接口，保證采樣速度和精度。同時(shí)，根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)小型化的考慮，慣導(dǎo)平臺(tái)通常采用小容量PWM驅(qū)動(dòng)裝置，從而減小對(duì)加速度計(jì)、陀螺儀等慣性器件外部電磁環(huán)境的影響，保證其工作精度。FPGA具有豐富的I／O功能，還可以多個(gè)進(jìn)程并行運(yùn)行，能滿足組合導(dǎo)航的要求。本文設(shè)計(jì)的捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)就采用FPGA作為核心處理芯片實(shí)現(xiàn)IMU-GPS數(shù)據(jù)采集處理和PWM控制，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)的核心處理器FPGA選用Xilinx公司的XC3S400，它采用90 nm工藝，最大容量40萬(wàn)門，工作頻率可達(dá)200 MHz。此外，系統(tǒng)還包括電源管理單元，程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，接口電平轉(zhuǎn)換單元等部分組成。系統(tǒng)采用5 V供電，選用TI公司的TPS75003作為電源管理芯片，提供3．3V，2．5V和1．2V電壓。

2 FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
    該系統(tǒng)充分利用FPGA可并行運(yùn)行的特點(diǎn)，利用軟件編程在單片F(xiàn)PGA上并行實(shí)現(xiàn)IMU數(shù)據(jù)、GPS信息的接收處理、存儲(chǔ)器和PWM控制，同時(shí)根據(jù)FPGA具有豐富的I／O接口特點(diǎn)，通過(guò)編程為DSP等微處理器的無(wú)縫接入預(yù)留接口。系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。
    在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中FPGA采用Xilinx公司的ISE軟件進(jìn)行編程，F(xiàn)PGA主要完成IMU，GPS數(shù)據(jù)的接收處理，PWM控制等功能。在系統(tǒng)中IMU，GPS數(shù)據(jù)通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路連接至FPGA，F(xiàn)PGA通過(guò)不間斷地檢測(cè)IMU和GPS的數(shù)據(jù)頭信息進(jìn)行接收并進(jìn)行相應(yīng)處理，IMU，GPS數(shù)據(jù)接收的RTL實(shí)現(xiàn)圖如圖3所示。

    在系統(tǒng)中，IMU數(shù)據(jù)以RS 422接口形式提供，信息速率為115 200 b／s，由幀頭、陀螺角速度信息、加速度信息、陀螺溫度信息、加速度溫度信息，時(shí)間信息和校驗(yàn)和組成。在工作過(guò)程中，F(xiàn)PGA首先檢測(cè)是否接收到IMU數(shù)據(jù)的開始信息即幀頭，如果沒有接收到就一直進(jìn)行檢測(cè)，如果收到就接收并進(jìn)行相應(yīng)的處理和存儲(chǔ)。接收完1幀IMU數(shù)據(jù)后，F(xiàn)PGA對(duì)這些信息進(jìn)行累加校驗(yàn)，并將計(jì)算得到校驗(yàn)結(jié)果和接收到的數(shù)據(jù)校驗(yàn)信息進(jìn)行比較，如果校驗(yàn)信息一致則存儲(chǔ)該幀信息，存儲(chǔ)地址自動(dòng)加1，如不一致則丟掉該幀信息，存儲(chǔ)地址不變。信息接收完成后，產(chǎn)生接收完成標(biāo)志位。
    GPS數(shù)據(jù)由衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)以RS 232接口的形式提供，能實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)載體的實(shí)時(shí)高精度三維定位、三維測(cè)速、精確定時(shí)。GPS數(shù)據(jù)的接收及處理原理和IMU數(shù)據(jù)類似，不同之處在于需要檢測(cè)信息頭和需存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不同。
    IMU和GPS數(shù)據(jù)均采用乒乓存儲(chǔ)的方式進(jìn)行存儲(chǔ)，乒乓存儲(chǔ)空間以幀為單位，最小空間為2幀，此時(shí)IMU和GPS數(shù)據(jù)在2幀的存儲(chǔ)空間中交替進(jìn)行存儲(chǔ)。乒乓存儲(chǔ)空間的大小可以根據(jù)需要進(jìn)行改變，存儲(chǔ)空間的改變由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)通過(guò)串口進(jìn)行設(shè)置，更改時(shí)無(wú)需重新編寫下載軟件。
    PWM控制器根據(jù)需要由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)控制，可以產(chǎn)生電機(jī)控制信號(hào)和任意占空比的PWM信號(hào)。為避免初始化不定狀態(tài)對(duì)輸出控制信號(hào)對(duì)電機(jī)的影響，由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)對(duì)PWM控制器的輸出信號(hào)狀態(tài)進(jìn)行控制。

3 仿真驗(yàn)證
    慣導(dǎo)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)采用Xilinx公司的ISE軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。IMU數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生，PWM控制信號(hào)由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)通過(guò)串口提供，仿真驗(yàn)證結(jié)果如圖4所示。

    在該系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA接收到IMU和GPS數(shù)據(jù)后存儲(chǔ)在指定的存儲(chǔ)空間內(nèi)，IMU數(shù)據(jù)接收完成并校驗(yàn)通過(guò)后，產(chǎn)生接收完成標(biāo)志0xAA55，GPS接收完成后產(chǎn)生0xAAAA標(biāo)志，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)通過(guò)讀取這些完成標(biāo)志來(lái)獲取IMU和GPS數(shù)據(jù)。導(dǎo)航計(jì)算機(jī)讀取完成后產(chǎn)生復(fù)位標(biāo)志，此時(shí)，IMU和GPS數(shù)據(jù)的接收標(biāo)志均復(fù)位為0x0101，仿真驗(yàn)證采用的IMU和GPS接收數(shù)據(jù)的乒乓存儲(chǔ)空間為2幀。PWM信號(hào)的占空比由導(dǎo)航計(jì)算控制，驗(yàn)證采用的占空比分別為0，15％，50％，80％和100％。

4 結(jié)語(yǔ)
    本文充分利用FPGA豐富的可編程資源，設(shè)計(jì)了基于FPGA的捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，能夠同時(shí)采集1MU數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)，并能產(chǎn)生任意占空比的PWM控制信號(hào)。測(cè)試表明該系統(tǒng)能夠保證慣導(dǎo)系統(tǒng)的運(yùn)算速度和精度，且具有較豐富的外設(shè)接口，方便與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)和外部傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信接口電路的設(shè)計(jì)，對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)小型化及廣泛應(yīng)用具有實(shí)際意義。