基于FPGA和高精度ADC的組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

INS／GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域和民用方面的運(yùn)動載體中得到了廣泛應(yīng)用。INS是組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的核心部分，涉及多個(gè)陀螺儀、多個(gè)加速度計(jì)和溫度傳感器等眾多傳感器數(shù)據(jù)的采集與處理，同時(shí)對系統(tǒng)運(yùn)算的實(shí)時(shí)性要求也很高。對于導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的研究，許多學(xué)者做了大量有益的工作。傳感器數(shù)據(jù)采集現(xiàn)有方案大多采用一片多路△-∑結(jié)構(gòu)的AD芯片采集6路慣性器件信號，這就造成6路信號的數(shù)據(jù)采集不能同時(shí)進(jìn)行，在高動態(tài)下導(dǎo)致組合導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航精度的下降。本文以TI公司生產(chǎn)的AD變換器AD1274和Altera公司生產(chǎn)的FPGA EPlS30位主選芯片，闡述了組合導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。

2 數(shù)據(jù)采集

組合導(dǎo)航系統(tǒng)的傳感器包括3個(gè)低成本微機(jī)械陀螺儀(AD'ADXRS150)、3個(gè)微機(jī)械加速度計(jì)(AD'ADXL210)、壓力傳感器(Motorola'MPX4115A)、二軸磁羅盤(Honeywel'HMC1022)、一個(gè)溫度傳感器(TI'TMP275)和GPS。對于這些傳感器需同時(shí)采樣，方能滿足組合導(dǎo)航系統(tǒng)的要求。本系統(tǒng)選用TI公司生產(chǎn)的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1274。ADS1274是一款高性能的24位△-∑結(jié)構(gòu)的AD轉(zhuǎn)換器，有4路同步采樣輸入通道，輸出有串行和并行兩種方式，如1所示。

本系統(tǒng)中共采用3片AD1274，一片用于3個(gè)陀螺儀信號的數(shù)據(jù)采集；另一片用于3個(gè)加速度計(jì)的數(shù)據(jù)采集；第三片用于2個(gè)磁方位傳感器、1個(gè)壓力傳感器的數(shù)據(jù)采集，溫度傳感器的輸出信號為數(shù)字信號，不需要進(jìn)行模數(shù)變換。每一片均剩余一路AD，用于今后深入研究的冗余系統(tǒng)。

為了克服由于傳感器輸出信號數(shù)據(jù)采集時(shí)間上的不同步引起的導(dǎo)航計(jì)算偏差，除采用具有4通道同步采用的AD1274外，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制采用具有并行機(jī)制的FPGA，芯片選用Altera公司的Cyclone低成本FPGA EP1C6Q240。

3 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

組合導(dǎo)航系統(tǒng)的功能包括：

數(shù)據(jù)采集 采集各種傳感器信號(陀螺儀、加速度計(jì)、磁羅盤、溫度計(jì)、氣壓高程等)；

預(yù)處理 采用數(shù)字濾波技術(shù)對采集到的傳感器信號進(jìn)行預(yù)處理；

導(dǎo)航計(jì)算 利用導(dǎo)航算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理；

輸出導(dǎo)航信息 將系統(tǒng)的位置、速度、姿態(tài)的功能信息輸出到運(yùn)動載體控制系統(tǒng)，進(jìn)行導(dǎo)航指示和運(yùn)動控制。

導(dǎo)航計(jì)算和導(dǎo)航信息輸出采用TI的OMAP5912實(shí)現(xiàn)。組合導(dǎo)航系統(tǒng)原理如圖2所示。

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