基于FPGA的慣導組合數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)設計

摘要：利用FPGA并行處理的特點及其豐富的I／O接口，在此設計了一種針對捷聯(lián)慣導系統(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采集慣導系統(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，該系統(tǒng)預留了豐富的I／O接口，方便和DSP等處理器進行無縫連接。測試結果表明，通過這種方法設計的系統(tǒng)，體積小，可靠性高、實時性強。
關鍵詞：捷聯(lián)慣導系統(tǒng)；FPGA；IMU；GPS；PWM

0 引言
    捷聯(lián)慣導系統(tǒng)是將慣性敏感器件陀螺儀和加速度計直接安裝在運載體上，是不需要穩(wěn)定平臺的慣性導航系統(tǒng)。捷聯(lián)慣導系統(tǒng)通過計算機內(nèi)的姿態(tài)矩陣實時解析計算而得到一個數(shù)學平臺，該平臺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)慣導的數(shù)學平臺代替了穩(wěn)定平臺，這要求導航計算機必須具有很高的運算速度和精度。由于純慣導系統(tǒng)的速度、位置信息誤差隨時間積累，隨著導航技術的發(fā)展，慣性測量單元(IMU)提供的數(shù)據(jù)難以完成精度較高的長期導航任務。這就需要在長期導航任務中引入GPS進行輔助導航，但是GPS數(shù)據(jù)自主性差，發(fā)射的信號容易受到外部干擾，接收機數(shù)據(jù)更新頻率低，單獨使用難以滿足導航實時要求。通過將IMU與GPS組合構成的導航系統(tǒng)可以克服兩者單獨工作的缺點，互相取長補短，更好地完成導航任務。IMU，GPS數(shù)據(jù)的兩者融合正是通過IMU-GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)的。
    根據(jù)慣性導航系統(tǒng)的特點，設計了一種基于FPGA實現(xiàn)IMU-GPS數(shù)據(jù)采集及PWM控制的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)IMU數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)的同時采集，可以根據(jù)需要產(chǎn)生任意占空比的PWM控制信號。

1 系統(tǒng)總體結構
    慣導和GPS組合導航系統(tǒng)要求既要具有高速實時的計算能力，也要具有豐富的外設接口，保證采樣速度和精度。同時，根據(jù)整個系統(tǒng)小型化的考慮，慣導平臺通常采用小容量PWM驅(qū)動裝置，從而減小對加速度計、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，還可以多個進程并行運行，能滿足組合導航的要求。本文設計的捷聯(lián)慣導數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)就采用FPGA作為核心處理芯片實現(xiàn)IMU-GPS數(shù)據(jù)采集處理和PWM控制，系統(tǒng)硬件結構如圖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40萬門，工作頻率可達200 MHz。此外，系統(tǒng)還包括電源管理單元，程序和數(shù)據(jù)存儲器，接口電平轉換單元等部分組成。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設計實現(xiàn)
    該系統(tǒng)充分利用FPGA可并行運行的特點，利用軟件編程在單片F(xiàn)PGA上并行實現(xiàn)IMU數(shù)據(jù)、GPS信息的接收處理、存儲器和PWM控制，同時根據(jù)FPGA具有豐富的I／O接口特點，通過編程為DSP等微處理器的無縫接入預留接口。系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。[!--empirenews.page--]
    在系統(tǒng)設計中FPGA采用Xilinx公司的ISE軟件進行編程，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)通過電平轉換電路連接至FPGA，F(xiàn)PGA通過不間斷地檢測IMU和GPS的數(shù)據(jù)頭信息進行接收并進行相應處理，IMU，GPS數(shù)據(jù)接收的RTL實現(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，時間信息和校驗和組成。在工作過程中，F(xiàn)PGA首先檢測是否接收到IMU數(shù)據(jù)的開始信息即幀頭，如果沒有接收到就一直進行檢測，如果收到就接收并進行相應的處理和存儲。接收完1幀IMU數(shù)據(jù)后，F(xiàn)PGA對這些信息進行累加校驗，并將計算得到校驗結果和接收到的數(shù)據(jù)校驗信息進行比較，如果校驗信息一致則存儲該幀信息，存儲地址自動加1，如不一致則丟掉該幀信息，存儲地址不變。信息接收完成后，產(chǎn)生接收完成標志位。
    GPS數(shù)據(jù)由衛(wèi)星導航接收機以RS 232接口的形式提供，能實現(xiàn)機動載體的實時高精度三維定位、三維測速、精確定時。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信息頭和需存儲的數(shù)據(jù)長度不同。
    IMU和GPS數(shù)據(jù)均采用乒乓存儲的方式進行存儲，乒乓存儲空間以幀為單位，最小空間為2幀，此時IMU和GPS數(shù)據(jù)在2幀的存儲空間中交替進行存儲。乒乓存儲空間的大小可以根據(jù)需要進行改變，存儲空間的改變由導航計算機通過串口進行設置，更改時無需重新編寫下載軟件。
    PWM控制器根據(jù)需要由導航計算機控制，可以產(chǎn)生電機控制信號和任意占空比的PWM信號。為避免初始化不定狀態(tài)對輸出控制信號對電機的影響，由導航計算機對PWM控制器的輸出信號狀態(tài)進行控制。

3 仿真驗證
    慣導數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)采用Xilinx公司的ISE軟件進行設計和驗證。IMU數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)通過計算機模擬產(chǎn)生，PWM控制信號由導航計算機通過串口提供，仿真驗證結果如圖4所示。

    在該系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA接收到IMU和GPS數(shù)據(jù)后存儲在指定的存儲空間內(nèi)，IMU數(shù)據(jù)接收完成并校驗通過后，產(chǎn)生接收完成標志0xAA55，GPS接收完成后產(chǎn)生0xAAAA標志，導航計算機通過讀取這些完成標志來獲取IMU和GPS數(shù)據(jù)。導航計算機讀取完成后產(chǎn)生復位標志，此時，IMU和GPS數(shù)據(jù)的接收標志均復位為0x0101，仿真驗證采用的IMU和GPS接收數(shù)據(jù)的乒乓存儲空間為2幀。PWM信號的占空比由導航計算控制，驗證采用的占空比分別為0，15％，50％，80％和100％。

4 結語
    本文充分利用FPGA豐富的可編程資源，設計了基于FPGA的捷聯(lián)慣導數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，能夠同時采集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。測試表明該系統(tǒng)能夠保證慣導系統(tǒng)的運算速度和精度，且具有較豐富的外設接口，方便與導航計算機和外部傳感器進行數(shù)據(jù)通信接口電路的設計，對慣導系統(tǒng)小型化及廣泛應用具有實際意義。