基于DSP和FPGA的導航計算機系統(tǒng)設計

摘要：為提高導航的精度和實時性，設計了基于DSP和FPGA的導航計算機模塊，成功實現(xiàn)了低成本、小型化的捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)。通過描述硬件的設計原理和軟件的框架及流程，簡要介紹了系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)方法。經(jīng)驗證，該系統(tǒng)達到了導航定位的性能和精度要求，姿態(tài)、位置和速度等參數(shù)可以有效融合多傳感器的導航信息，能滿足導航計算機在處理能力、體積、功耗和適應性等方面的要求。
關鍵詞：導航計算機；DSP；FPGA；導航定位

0 引言
慣性導航系統(tǒng)是隨慣性傳感器(陀螺儀和加速度計)技術的發(fā)展而發(fā)展起來的一門導航技術，由于具有完全自主，不受任何干擾，隱蔽性強，輸出信息量大，輸出信息實時性強等優(yōu)點，在軍事領域和民用領域都得到了廣泛的應用，已被許多機載設備選為標準導航設備。特別是現(xiàn)代戰(zhàn)爭所面臨的電磁環(huán)境日益復雜，對慣性導航技術的依賴和要求也越來越高，慣性導航技術已經(jīng)成為現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭中一項重要支撐技術而受到各國的關注。為了保證飛機按照預定的航線進行飛行，對各種數(shù)據(jù)進行實時精確處理顯得非常關鍵，因此研制具有可靠性高，運算精度高，性能先進等特點的新一代導航計算機已成為必然。

1 導航計算機系統(tǒng)組成
導航計算機是慣性導航系統(tǒng)的核心功能單元之一，配套應用于慣性導航系統(tǒng)的總體中。導航計算機采用嵌入式計算機設計技術、智能接口技術及高精度組合導航技術，配置高性能DSP處理器和大容量存儲器，利用大規(guī)模現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)設計，使用集成軟件開發(fā)環(huán)境開發(fā)程序?qū)崿F(xiàn)高速板內(nèi)總線對接口的高速訪問。由處理器通過接收陀螺、加速度計、GPS等其他傳感器的輸入數(shù)據(jù)進行導航解算、誤差補償?shù)冗\算處理，獲得航向、俯仰、滾動角、三軸角速率、速度、經(jīng)緯度、高度等導航所需的參數(shù)信息。
作為導航系統(tǒng)核心部件的導航計算機負責從數(shù)據(jù)采集電路獲取導航原始數(shù)據(jù)，進行捷聯(lián)導航算法處理，最后將解算得到的導航結(jié)果進行輸出控制。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

2 導航計算機硬件組成
導航計算機采用GPS衛(wèi)星導航與慣性導航相結(jié)合，采用松耦合方式進行互聯(lián)，在保證系統(tǒng)間信息交換能力的前提下考慮系統(tǒng)的組合性和靈活性。為提高系統(tǒng)的實時性、集成度和擴展性，硬件設計上采用DSP+FPGA的解決方案。
DSP芯片主要完成復雜的數(shù)學運算，包含誤差補償、初始對準和導航運算等；FPGA芯片完成所有外圍接口，包括陀螺、加速度計的高速采樣和I／O接口等各傳感器信號的采集，通過信號處理電路送至處理器芯片進行運算處理，將解算到的慣性測量信息通過數(shù)據(jù)接口控制輸出。導航計算機硬件組成如圖2所示。

為保障系統(tǒng)具有大規(guī)模數(shù)據(jù)處理能力，同時具有實時性的特點，導航計算機的核心器件選用了TI公司推出的高速浮點處理器DSP芯片TMS 320C6713。作為導航計算機的核心控制部件，該芯片工作的主頻為200 MHz，單指令執(zhí)行周期為5 ns；定點浮點運算能力強大，運算速度能達到1 600 MIPS／1 200 MFLOPS。作為數(shù)據(jù)運算系統(tǒng)，TMS320C6713不僅保證了導航運算的速度和精度，同時豐富的系統(tǒng)應用外設及多種標準接口，方便導航計算機與外部傳感器進行數(shù)據(jù)交互?？焖俚闹袛嗵幚硇阅芸杀Ｕ蠈Ш接嬎銠C多個接口的傳輸速率。
為滿足多個數(shù)據(jù)接口的數(shù)據(jù)傳輸需要，采用XILINX公司的現(xiàn)場可編程門陣列FPGA芯片XQ4013E4PG223M，設計完成了系統(tǒng)的復位功能、邏輯譯碼功能、外部接口管理和移位脈沖計數(shù)功能。FPGA芯片的使用，方便了功能電路的集成，在不增加硬件電路的情況下，通過模塊化的VHDL設計，適應了導航功能電路的變化。通過采用基于VHDL的計數(shù)脈沖濾波、采樣及自測試技術，提高了輸入信號的采集精度，對提高整個激光捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的定位精度提供了支撐，實現(xiàn)了高精度、通用化和小型化。
慣性器件的輸出信號采樣頻率決定了捷聯(lián)解算的精度和速度。根據(jù)實時性要求，系統(tǒng)每1 ms采集一次陀螺脈沖和加速度計的數(shù)據(jù)，DSP芯片每10ms進行1次導航數(shù)據(jù)解算。因此選用高效的AD1674和OP200電路對加速度計采集到的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將采集到的0～5V電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，存儲于內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)供DSP芯片進行數(shù)據(jù)處理。AD1674是12位A／D轉(zhuǎn)換器，具有10 V參考輸入，時鐘輸入和三態(tài)輸出的微處理器接口，具有采樣／保持功能，可對快速傳輸?shù)慕唬绷餍盘栠M行直接轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間不大于15μs。AD1674芯片可以在兩種模式下工作，全控制模式和獨立模式，設計中選用獨立工作模式，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換由R／C信號控制。
光纖陀螺輸出信號是脈沖信號，x，y和z軸分別輸出正反2路信號，信號為GPOXP，GPOXN，GPOYP，GPOYN，GPOZP，GPOZN。定時周期內(nèi)正反信號脈沖個數(shù)的差和標度因數(shù)的積即為該軸向陀螺的角速度。光纖陀螺的計數(shù)功能模塊如圖3所示。