基于双DSP和FPGA的高性能导航计算机设计.pdf

邮 局订阅号 ：8260 元 / 年技术创新嵌入式系统应用术应用 200 例 您 的论文得到两院院士关注基于双华大学 ) 谢 鑫 郭美凤 周 斌 : 本系统由 司 为核心 ,采用模块化设计方法 ,双 别实现导航计算及微惯性测量单元 (号的高精度数字化 ;要实现输入输出等外围接口扩展 、数据缓存 、系统通讯及控制 、时序控制等功能 。 导航计算和 号数字化任务在不同的 完成 ,有效提高系统精度 ,更好满足系统实时性要求 。 实验结果表明 :系统实时性较高 ,精度达到要求 ,降低了系统功耗和成本 。关键词 : 导航计算机 ; 献标识码 : is on is in SP I,of it is of to in 1008009)08言当前 ,越来越多的场合需要高性能微小型捷联式惯导系统 。惯导系统通过采集各传感器信号 ,经过导航运算 ,实时输出导航信息 ,提供给监控计算机显示 。在导航算法较为复杂的情况下 ,仅用一片 以满足系统实时性要求 。本文针对导航计算机实时性小型化的要求 ,提出一种采用 片 下简称 下简称 P片 高性能导航计算机设计方法 。 司开发的高性能 32 位浮点 其主频可达 300理速度可达 2400800采用了 2级 构 , 片上共有 264K8 位存储器 , 其中 4K8 位 K8 位 56K8 位 具有丰富的片上外设资源 , 其中包括 2 个 个 组线 、1 组 个 32 位通用定时器 、1 个 16 位主机接口 司开发的一款低成本浮点运算数字信号处理芯片 ,部包含 22 位的快速 ,24位地址线 ,32 位数据线 ,最高主频 75 司生产的现场可编程门阵列芯片 ,其采用 90艺 ,最大容量 40 万门 ,工作频率可达 200 系统结构与任务划分对于捷联式惯导系统 ,虽然 有较高的自主性 、隐蔽性和抗干扰性 ,但是纯惯导系统的速度 、位置信息需要通过对加速度的积分获得 ,因而其定位误差随时间积累 ,难以完成精度较高的长期导航任务 。这就需要在长期导航任务中引入 行辅助导航 。全球定位系统 美国发展的一种高精度的全球三维实时卫星导航系统 ,24 颗卫星向广大用户连续不间断地发送导航定位信号 。然而 ,然定位误差不随时间积累 ,但其不足之处在于它的自主性差 ,发射的信号容易受到外部干扰 ,接收机数据更新频率低 ,单独使用难以满足导航实时要求 。图 1 系统总体设计框图通过将 合构成的导航系统可以克服两者单独工作的缺点 ,互相取长补短 ,更好地完成导航任务 。而两者正是通过导航计算机平台实现导航算法的数据融合 。可见 , 导航计算机是一个要求比较特殊的数据采集与处理谢 鑫 : 硕士研究生基金项目 : 基金申请人 : 郭美凤 ; 基金项目 : 基金项目不公开 ;基金颁发单位 : 总装备部 (项目编号不公开 )技术创新微计算机信息 (嵌入式与 009 年第 25 卷第 8360元 / 年 邮局订阅号 ：82场总线技术应用 200 例 嵌入式系统应用系统 。它既要求系统具有高速实时的计算能力 ,而且要求具有丰富的外设接口 ,保证采样速度和精度 。同时 ,还需要根据整个捷联式惯导系统小型化的考虑 , 做到导航计算机的小型化和低能耗 。为实现上述要求 ,我们采用模块式设计方法 ,将惯性元件的测控电路组成一个模块 一体化高精度数字化处理单元 ,而组合导航计算处理使用了另一个模块 导航计算单元 。系统总体设计框图如图 1 所示 。根据导航计算系统功能 , 本文分以下 3 个部分进行介绍 :采集陀螺仪 、加速度计 、温度传感器 、信号 。接收各种控制命令 ,输出导航信息 ,将系统的位置 、速度 、姿态信息输出进行导航控制和控制飞行器 ;利用导航算法进行数据融合运算 。3 总体设计1 数据采集模块(1)据及温度信号接收模块一体化高精度数字化模数转换采用了 18 位高精度 而数模转换使用 16 位高精度 片 。数字化的加速度和角速率信号通过高速同步串行口 (接发送到导航计算模块进行组合导航计算 。图 2 控电路示意图如图 2 所示为 测控电路示意图 , 公共的载波发生源可以被六个惯性表头共用 , 各传感器的输出信号经过前放和一次解调电路之后 , 通过模拟通道选择开关又能共用同一个模数变换器 各路信号采集到一体化高精度数字化处理单元后 ,通过相应的算法获得各轴加速度 、角速度 ,通过控制和补偿算法进一步对表头运动加以控制 , 从而完成 统中各惯性仪表的测控 。一体化高精度数字化处理单元针对加速度计和陀螺进行测控 , 解算得到的加速度和角速度通过高速同步串行口 送到导航计算单元进行组合导航计算 。议是一种 4 根信号线的串行接口协议 , 包括主 /从两种模式 ,通过串行数据输入 、串行数据输出 、移位时钟 、从设备使能等四个接口信号完成串行通信 。议的最大特点是由主设备的时钟信号的出现与否界定通信的发生 。在这里 , 我们将 置为主模式 , 将 置为 模式 , 而 间采用直接存储器存取 式进行数据传输 。一种快速传送数据的机制 ,其技术的优点在于 ,利用它进行数据存取时不需要 行干预 ,可提高系统执行应用程序的效率 。利用送数据的另一个好处是 , 数据直接在源地址和目的地址之间传送 , 不需要是中间媒介 , 从而提高了惯性测量单元 数据传输速率 。(2)据接收模块据接收模块采用 司生产的 I 其数据输出接口为 口标准 ,采用 9600 波特率 ,8位数据位 ,1 位停止位 ,无校验 。过 并转换 、数据缓存实现与 据接口模块的数据交换 。 间用外部存储器扩展接口 现对 无缝扩展 。 间采用双口 为数据交换的中继站 。需要计算和处理的数据送到双口面 ,然后发送中断给 诉 口 已经存入了需要处理的数据 ;到中断信号后 , 提取双口的数据 ,对其进行计算处理 。采用双口 式 ,不易丢失数据 , 而且减少了 串口的中断响应次数 , 提高了效率 。双口 有通讯速度快 、实时性强 、接口比较简单的特点 ,每个端口都有各自的数据 、地址 、控制总线 ,允许 其任何地址随时进行读写操作 。在 部构建双口 但具有以上优点 ,而且可以减小计算机体积和设计成本 ,提高了设计的灵活性 。2 控制与通讯模块这部分工作主要由 成 。由于 外部接口比较少 , 难以满足系统控制与通讯的设计需要 , 用 行外部接口扩展 , 外部设备接口采用 实现对 号的采集 、控制指令的接收和相关导航信息的输出 。3 导航计算模块系统将 量得到的位置 、速度信息与惯性导航系统(算的位置 、速度之差作为观测量 ,通过滤波 ,获得系统导航参数及各种误差状态的最优估计 。图 3 组合导航算法原理框图如图 3 所示 ,出的位置和速度信息与 量得到的位置 、速度信息相比较 ,它们的差值作为组合系统的观测量 。通过卡尔曼滤波器对 误差进行估值 , 进而对 导航信息实施修正 ,从而提高组合导航的定位精度 。计关键在于对外部存储器接口 设计 , 括 4 个 间 。具体设计如下 :配置为 32 位同步空间 , 接 6713 提供给00作频率 ,用于存储部分算法程序运行时的临时数据 ,为系统算法扩展留出裕度 。 16 位异步空间 ,接 于系统掉电后保存数据及系统程序的上电自举 。持 种上电自举方式 ,本设计中采用 式 。在这种方式下 ,系统上电硬件复位管脚由低电平变为高电平 , 核仍处于复位状态 ,而其他部分开始工作 ,此时 间则根据 方式自动地配置为 8/16/32 位异步存储器(下 转 第 60 页 )1技术创新微计算机信息 (嵌入式与 009 年第 25 卷第 8360元 / 年 邮局订阅号 ：82场总线技术应用 200 例 嵌入式软件应用(术来实现 ,因此性能很高 。(2)执行效率高 :访问速度得到提高 ,比通常的动态 现方法执行的效率更高 ,使 序和网页 、服务器的处理程序得到分离 ,处于一种弱耦合关系 。通过 览器访问的速度达到了微秒级 。(3) 移植性好 :技术几乎可以在任何支持准的系统上运行 ,可在各种硬件平台上工作 ,如 。(4)稳定性 :序模块化编写 ,整个模型各模块弱耦合 ,既可以方便的修改各模块 ,又可以实现模型的稳定运行和灵活扩展 。(5)安全性 :支持基于 滤的安全机制 ,而 统交互 ,为避免用户的交叉操作 ,所以只需建立简单的用户识别机制即可避免误操作的产生 。使用实现多级管理 、对用户的访问控制 。5 结束语通过本文介绍的方法可以有效 、便利地在基于嵌入式 设备中搭建嵌入式 并可以动态地显示网页和方便地配置底层硬件设备 。该模型已经被应用到北京台康咨讯有限公司的对称式 入式网关 (徐州博联科技有限公司的千兆以太网交换机 ( ,并取得了较好的效果 。本文作者创新点 : 利用 建嵌入式 务器 ,并在 序编写时使用 辑器可以有效的提高代码编写效率 ,并具有占用资源少 ,实时性好 ,跨平台等多个优点 ,可以快捷地为用户实现对设备的远程动态管理提供方便 , 而使用 ht理用户名和密码也初步实现了对 理的访问控制 。由于嵌入式 统的优越性和 术的大量出现 ,本文所提出的方法具有广泛的应用前景 。参考文献1时雨露 ,潘淑文 ,寿国础 . 入式 统研究与实现J2007,032庞志永 ,顾海明 动态 面技术探讨 J2003,4:1733 , , J , et A eb J . 2001 ,39 (10) : 74 - 79.4方网站 5邵长彬 ,李洪亮 作嵌入式 文件系统 J2007,1086 方 网 站 卫毅 (男 ,江苏徐州人 ,硕士研究生 ,主要研究领域嵌入式设备管理 、计算机网络及其应用 。i(221008 江苏徐州 中国矿业大学计算机科学与技术学院 )卫 毅 姜秀柱(221008 江苏徐州 中国石油天然气管道局第二工程分公司 ) 李 娜(21008,i 21008,I (221008 江苏徐州 中国矿业大学计算机学院硕士 06级 ) 卫 毅(收稿日期 :修稿日期 :上 接 第 2 页 )接口 ,并且 间读 /写时序自动地配置为最大值 ,随后 动完成单帧块传输 , 将 间的前 1K 字节复制到 址处 。据 数据宽度自动地将连续的 8/16 位指令装配成 32 位指令 。成数据传输后 , 唤醒 核 ,出复位状态 ,从址处可开始执行程序 。 32 位异步空间 , 经过地址译码和总线缓冲实现与无缝连接 。置 。4 实验结果我们通过三种算法 :纯惯导算法 、传递对准算法及 导组合导航算法对组合导航系统进行性能测试 。其中纯惯导算法采用四元数法 ,算法每计算周期耗时约为 递对准算法采用 15 维状态变量 , 即 ;6 维观测变量 ,即 进行计算 ,算法每计算周期耗时约为 惯 导 组 合 导 航 算 法 也 采 用 15 维 状 态 变 量 , 即;6 维观测变量 , 即 进行计算 ,算法每计算周期耗时约为 见 ,所有算法计算频率均可达到 200上 。5 结束语本文提出了一种基于双 合导航计算机系统设计方法 ,详细描述了系统设计方案 、双 作的原理以及在 实现数据采集模块和通信模块的设计方法 。实验结果表明：系统通过硬软件相配合实现了系统高精度数据采集和实时信息处理的目标，满足了系统实时性高 、体积小 、功耗低等要求，具有一定的实际应用价值 。本文的创新点在于采用模块化设计方法，将导航计算和号数字化任务在不同的 完成，两模块间通过高速同步串口进行数据传输，有效地提高了系统精度，更好地满足系统实时性要求 。参考文献1江思敏主编 用开发教程 北京：机械工业出版社， 20052陈亮编著 信号处理算法的