（电力电子与电力传动专业论文）捷联惯导系统的数据采集技术与算法研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t r a p d o w ni n si sat y p eo fi n e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e m s c o m p a r e dw i t h p l a t f o r mi n s ，s t r a p d o w ni n sh a st h ea d v a n t a g e so fl o wv o l u m e ，l o ww e i g h t ，l o w c o s ta n dh i g hr e l i a b i l i t y s t r a p d o w ni n sl e a d st h en n do fi n s t h et h e s i s b a s e d o ns e n s o r so fi - 4 2s t r a p d o w ni n s ，d e a l sw i t ht e c h n i q u eo fd a t a - c o l l e c t i n g ， a t t i t u d e - u p d a t i n ga l g o r i t h ma n dv e l o c i t y u p d a t i n ga l g o r i t h mo fs t r a p d o w ni n si n o r d e rt op a v et h ew a yf o rf u r t h e rr e s e a r c h p r i m a r yw o r kd o n ei sa sf o l l o w s ： d e s i g no fd a t a - c o l l e c t i n ge l e c t r o n i cc h u f fo f t h es t r a p d o w ni n sa sw e l la s r e l e v a n td r i v e r f p g ad e s c r i b e db yv h d l l a n g u a g es e r v e sa st h ec o r eo fh a r d w a r e o ft h e d a t a - c o l l e c t i n g e l e c t r o n i c c i r c u i t i t c o m p l e t e s t h ef u n c t i o no f c o m m u n i c a t i o nb e t w e e ni n e r t i a li n s t r u m e n t sa n dn a v i g a t i o n c o m p u t e r t h e e x p e r i m e n t a t i o no f t h ed a t a c o l l e c t i n gs y s t e ms h o w st h a tt h eb a s i sa n dd e s i g no f t h es y s t e mi sf e a s i b l e i na c c o r d a n c ew i t hm o d u l a r i z a t i o no fs o f t w a r ee n g i n e e r i n g t h e o r y , cl a n g u a g ei sa d o p t e do nt h ed o sp l a t f o r mt od e v e l o pt h ep r o g r a m s oa s t ol a yaf o u n d a t i o nf o re m b e d m e n ti nt h ef u t u r e s t u d yo na t t i t u d e - u p d a t i n ga l g o r i t h m s t u d yo na t t i t u d e - u p d a t i n ga l g o r i t h m b a s e do nq u a t e r n i o na n dr o t a t i o nv e c t o r p r i m a r yr e s e a r c hi so nt h eb a s i so f c o n i n g c o m p e n s a t i o ni nt h e c o u r s eo fu p d a t i n gt h er o t a t i o nv e c t o r o p t i m a ln s a m p l e r o t a t i o nv e c t o ra l g o r i t h ma n dr e c u r r e n ta l g o r i t h ma r ep r o p o s e d t h ec o m p e n s a t i o n p e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n ta l g o r i t h m sw e r ec o m p a r e dw i t he a c ho t h e rt h r o u g h e m u l a t o r s t u d yo nv e l o e i t y - u n a t i n ga l g o r i t h m u n d e rt h ee n v i r o n m e n to fs c u l l i n g a l l t h ea l g o r i t h m sa r eo p t i m i z e di no r d e rt om i n i m i z i n gt h ee x c u r s i o nr a t e an e w m e a n so fd e d u c i n gs c u l l i n gc o m p e n s a t i o nb yc o n i n gc o m p e n s a t i o nm e t h o di s i n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h eh i 【g ha n dl o wf r e q u e n c yp a r t si nt h e e q u a t i o no fi n t e g r a ls p e c i f i cf o r c e ，ap r e c i s ev e l o c i t ye r r o rc o r r e c t i o na l g o r i t h mi s p r e s e n t e d t h ec o m p e n s a t i o np r e c i s i o no f d i f f e r e n ta l g o r i t h m sw e r ea n a l y z e d k e yw o r d s ： s t r a p d o w ni n s ；d a t ac o l l e c t i n g ；s t r a p d o w ni n sa l g o r i t h m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指 导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据 和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除 文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：洳0 6 年月日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 惯性导航系统是一种真正意义上的自主式导航系统，它自主地提供运载 俸静热速度、速度、馥嚣窝建逮度、姿态等稽惫，不嚣要蠢耱赛发莉馁秘信 息，完全依靠机载设备自主地完成导航任务，和外界不发生任何光、电联系。 翟毙，它其毒狳薮溪鬈、不受努赛予魏，不受薛瓣、筑域霸气蔟条释羧麓等 诸多优点，这附作为军事目的而应用的各种航行器显得尤为重罴。因此，惯 谴导靛技术在浮弹、甄籍、飞橇、字锯簸嚣器上都褥蠲了广泛戆应羹，在导 航技术中占有突出的地位。 1 1 惯性导航系统发展简介 现代意义上的惯性制导最先出现在德国。1 9 4 2 年德国的一些科学家将陀 螺仪帮嬲速度讨应用予v _ 2 火籍的惯悭剑导系统中，j 爆陀蠛提供信息稳定 火箭的姿态和航向，并沿火箭纵轴方向安装陀螺积分加速度计，以提供火箭 入轨的纫始加遮度，首次完成了导航寇位任务。 第二次世界大战稀，惯性技术在美国和苏联迅速域发展起来，主溪用于 军事武器系统。惯性技术的发展是军事现代化的关键之一，惯性导航和制导 就是在舰船、飞机及导弹等运貔体和飞行器的高精度释航定位要求下发展起 来的。1 9 4 9 1 9 5 0 年美国麻省理工学隐仪表实验室和北美航空公司先聪研制 出第一台惯性静航平台。特剐怒北美航空公司辑翎的x n 呵型平台式髅导系 统，实现了比较完善的三轴陀螺平台的惯导系统方案，综合应用了自动控制、 电子技术、精密祝械工艺等学科的先遴技术，粑惯导系统推进到一个迅速发 展的时期。1 9 5 3 年，美国的德覆铂实验室首次避行了飞机平台惯导系统的试 飞，谣窝了纯惯性技米的可彳亍经；t 9 5 8 年，在改迸往熊的基础上，美阐又进 行了第二次横贯美国大陆的试验；1 9 6 0 年，美国利顿公司制造的l n - 3 飞机 镤导系统在瑶德煞f - 1 0 4 g 飞梳上试飞成功。寐省理工学院彼表实验室予1 9 5 3 年研制成功舰船惯性导航系统样机；1 9 5 7 年研制出“j b 极星”导弹惯性制导 晗尔演工程大学硕士学位论文 系统样机：1 9 6 4 年研制出“阿波罗”爨胃字宦飞艇惯性系统榉枧，从藤使它 成为世界惯性技术发展的中心。 七十年代，由于计算枧技术的发鼹，平台戏蠼导系统已经达到了成熟普 及的阶段，成为现代化的导航工具，广泛应用于舰船、飞机、导弹和宇宙飞 行器等颦事领域，并开始应用予民航和她质测攮等民用领域。与此同时，捷 联惯导系统也处于研制的过程中。到了六十年代，捷联技术得到了比较成熟 的探索。美国擞“阿波罗一1 3 ”宇宙飞船上成功的应用了捷联技术。此藤又成 功韵设计了“德尔塔”助推火箭惯性制导系统簿。从本世纪七十年代以来， 在惯性传感器殿惯性导航系统技术方面又取得了长足的进步，成功的研制了 各种类疆的债褴传感嚣( 知激光陀螺、光纤陀螺、静电陀螺、动态调谐陀螺 等) ，并得到了广泛的应用。在系统技术方面，在平台惯导系统的基础上发展 起来静由计算税数学平台构成的捷联式惯导系统得到了极大酶发展，涂了精 度要求比较高的战略应用( 战略导弹、战略核潜艇) 之外，捷联惯导系统几 乎取代了所有静平台镄导系统。捷联系统还在瓮臻领域静应霭震现出夔好前 摄，惯性元件、数字计算机硬件工艺的进展、控制误蓑的最佳滤波和平滑技 术使英在大遗溺萋、穗球褥理搽测、石涵褚著斑位、穗下毫缆镶设、疆道定 向、航空摄影、高大建筑物位移测定等领域中得到发展和应用。 我瓣熬餐瞧导靛系统豹臻涮获7 雄戎开始，经过三卡多年鹣颈霹手与毅拳 攻关，难过了从液浮( 陀螺、加速度计) 到挠性、从平台到捷联、从纯惯性 导靛弱矮毪g p s 缀合浮蕊豹避程。嚣翁，我鬻鑫季亍磷铡豹第一代中等精度、 高等精度挠性平台式惯性导航系统己发展成一个系列，并已经批量装机使用， 低成本、中等糖度瓣挠经捷联骥导已经遴入生产。毽凌予受嚣瘛翻造工艺鼓 术水平的限制和国外技术先进阑家的技术封锁，高等精度的激光陀螺、光纤 陀螺逐处在磅割除段，擞极城馔牲纹袭还处程饕芽期 1 j 。 惯性导航系统的优越性使荩成为各国争先恐后发展的对象，目前的惯性 导航系统忑朝餐小型纯、亵精度、毫霹纛瞧、低藏本方自发震。裁发溪途径 而言，一种是着重从方案和系统技术上来提高惯导系统性能指标；另一种是 蓑重从疆究薮鹣蠼牲元传寒提蹇揍性元健性能及夏提逡系统的性戆撂据。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 国内外研究动态 数据采集系统是惯性测量组件与计算机之间的接口，惯性测量组件所敏 感到的信号通过模数转换器转换成具有一定脉冲当量的数字信号。数据采集 系统的任务就是要准确、定时地采集到这些信号并将它们传送给计算机，同 时为了防止外界干扰信号的引入，数据采集系统还必须具有一定的抗干扰能 力1 2 j 。目前，数据采集技术在捷联式航向姿态基准系统( a h r s ) 中已得到成熟 应用，但其稳定性和抗干扰能力还有待于进一步的提高。 捷联惯导系统在计算机中实时计算出姿态矩阵，建立起数学平台，所以 姿态更新计算是捷联惯导系统算法的核心内容，也是影响其精度的主要因素， 特别是对作高动态运动的载体，姿态更新算法是决定其捷联惯导系统能否保 持精度的决定性因素。传统的姿态更新算法有欧拉角法、方向余弦法和四元 数法。其中四元数法算法简单，计算量小，因而在工程实际中经常采用。但 在使用四元数法时，不可避免地引入了不可交换误差，特别是在载体处在高 动态环境时，这种误差就会很大，必须采取有效措施加以克服州。 1 9 7 1 年b o r t z 和j o r d a n 最早提出了等效旋转矢量概念用于陀螺输出不 可交换性误差的修正，从而在理论上解决了不可交换误差的补偿问题。其后 的研究就主要集中在旋转矢量的求解上。根据在相同姿态更新周期内，对陀 螺角增量等间隔采样数的不同，有双子样算法、三予样算法等。为减少计算 量，1 9 8 0 年，g i l m o r e 提出了在等效旋转矢量的迭代计算采用较高频率的快 速回路和用了等效旋转矢量后的方向余弦矩阵或四元数计算采用较低迭代频 率的慢速回路理论。上述理论研究奠定了姿态更新算法的经典理论基础。 1 9 8 3 年，m i l l e r 讨论了在纯锥运动环境下，等效旋转矢量的三子样优化 算法。此后，在m i l l e r 理论的基础上，j a n gg l e e 和y o n gj y o o n 对等效旋转 矢量的四子样优化算法进行了研究；y e j i a n g 对利用陀螺的角增量及前一更 新周期采样值的算法进行了研究。研究结果表明，采样阶数越高，更新速率 越快，姿态更新算法的误差就越小。1 9 9 5 年，m u s o f f 提出了圆锥补偿算法的 优化指标，分析了圆锥补偿后的算法误差与补偿周期的幂次r 的关系。1 9 9 8 年e s a v a g e 在提出双速姿态算法的同时，提出了计算机上易于实现的递推圆 哈尔溱工程大学预士学饿论文 锥补偿箨法。 在捷联惯导姿态爨新算法及姿态更新计算中的圆锥补偿算法快速发展的 同时，对于导航计算中的有关予比力加速度转换速度积分的葵法却少有闻 世。近年来，随着捷联算法研究的不断成熟，研究捷联系统的学者们越来越 熏视速度积分算法的研究。1 9 9 8 年p s a v a g e 发表了两簸关于捷联惯导积分算 法设计豹文章，文章中完整地描述了摅联惯导算法的编排，他在提出双速姿 态算法的同时，提出了双速速度更薪算法并且对划船误差进行了分丰斤。同年 i g n a g n imb 在( ( n a v i g a t i o n ) ) 杂志上褥出了划船效应补偿算法的通用补偿方 程和速度计算的误差公式i “。 随蔚计算机技术的飞速发餍，业肉专家近来对姿态更薪算法有了新的认 识。尽管双速算法的最初的目的是克服早期计冀能力限制，但现代计辫机技 术提高，这种陵翩已经徽不足_ l l 耋了。这就往祷入雷j 把麓标重掰放至l 更简单的 单速算法结构上，这样所有的计算在同一重复速度下执行，且速度快到足以 精确计算多毒鸯离额角速度及翔途度的熬流效疲。 在阑外学辫对捷联算法做大量研究的同时，国内的众多学者也在捷联系 统姿态与速度髯法上 擘了镶多静磷究王作。2 0 0 0 年，黼滂耱技大学薛褪瑞教 授对圆锥运动和圆锥误澄的运动学进行了分析。诠释了圆锥误蒺这种几何效 应与掇韵环凌豹其落关系。嚣年，啥尔滨工程大学提辩了旋转矢量豹误差估 计模型，以此来减小动态误差，提高姿态的精度。同时提出了一种基于等效 旋转矢霪算法的魄力遂雄转换方法。2 0 0 1 年l i 窳靛空簸天太学详缀接搭了1 7 种划船误差补偿算法的系数。熬本涵盖了目前酗内常用的划船误差补偿算法。 同对，瀵华、蘧魏工大、东露大学等多住学者瓣姿态爨毅帮速度雯赣鹣多子 样优化算法设计作了较深入的研究。国内的姿态更新弊法研究主要集中于旋 转矢量缆证算法，黻m i l l e r 提褰懿三予徉谯纯舞法走蒸穗提密了多耱形式匏 优化算法。在速度更新婢法上，主要摹予i g n a g n i 提出的划船补偿策略为基础， 推导饶亿戆划躲毒 偿雾法。毽楚国内鹣算法磷究羼限予绩奏，囊正霹冀法实 现的讨论，文献还较少。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 课题主要研究内容 本课题以实际工程为背景，主要研究内容包括以下几个部分： 第一部分是数据采集系统的设计。系统硬件上以f p g a 为核心，以v h d l 作为f p g a 的描述语言。完成了从惯性测量组件输入信号：对信号进行测频、 逻辑组合；实现i s a 总线接口设计部分的逻辑等。系统软件设计上利用c 语 言编写了采集卡的启动程序，主体为硬中断方式的中断服务程序。经调试， 程序可使导航计算机按要求读入采集卡输出数据，并且定时显示出来，供给 导航程序调用。 第二部分介绍了四元数理论，讨论了旋转矢量算法在捷联惯导姿态更新 中的应用。重点介绍了基于旋转矢量姿态算法中圆锥项补偿的问题。并在典 型圆锥环境下，推导了基于算法漂移最小的各子样圆锥补偿公式。介绍了离 散的圆锥递推补偿算法。并在两种动态环境下作了算法的仿真。 第三部分对比力积分增量算式进行了推导，分析了在速度计算中存在的 非惯性可测速度项，以此为基础，推导了s c u l l i n g 补偿的几种算法。在典型 划船环境下，对各子样算法进行优化，使它们的误差漂移率达到最小。本章 还介绍了利用圆锥积分算法进行s c u l l i n g 补偿。最后，通过对积分比力增量 方程中高频部分和低频部分的分析，给出了一种高精度的速度误差补偿算法。 哙尔演工程大学硕士学傲论文 第2 章捷联惯导系统的组成与数据采集 碡2 楚获饿箩蘩萼l 遂豹套激毙院蠓疆联嫫露系缓，其蠢链器建涟隶孚。 利耀 珥2 系统髂惯性测量缀 牛作为硬枯基礁，设计数攒采集系统与母航程序， 获两完成套宪整静捷联横搏系统其肖重要酌淼义。本章主簧介缁i 一4 2 系统 的1 2 邋邀高速数据采榘卡的设计及相关驱动糕序的开发。 2 。 攮联惯导系缝的组成 h 4 2 激光陀螺捷联惯辱系统组成可分为曼大部分，即惯性仪淡敷伺服电 子线爨、数攮采集系统_ 苇鞋警舷诗箕极。 露i 聂墨焉。霭祷再矛。8 曩霹一、 u 叫一雌雎眸 篙剁誉f 卜 靛 j 丁_ 。l 鼹 - 差 g f 。| 竺! ! 补 c 1 偿 ! 厂_ 一姿态骓博i- 姿蛩计卜 一l j t 圈2 11 - 4 2 系统的缀溅原理 懒豫彼表及伺服电子线路部分包括陀螺彼和加速废计两部分。禚捷联系 统中，燃螺仪翱加速度计数傣坐标系的三根辘。陀螺仪曩于敏感载体嫩标系 鞠对溪稳塞拣系戆囊罐塞。趣速度诗凝感载髂鞠鼹壤性璧标聚翡爨：力。壤鼗 电子线路蠹信号读出系统、遴辑电路、电源缀髂及电磁屏蔽攀缀戏。 数獭采集系统是惯性仪表部分与强航计算梳之间的接口，惯性彼表所敏 感到的谶度和角度的变化僚息转换成具有一定脉冲当爨的脉冲序列信号，数 据采粲卡熬任务就是梁准麟、定露遮采集至逡黧蘩鸯，并把它们撩邀绘导靛 诗算撬，阕辩隽了茨止矮棼予疑黄芎豹弓l 久，数据采集卡还躲簇獒肖一定熬 6 堕 磊 哈尔滨工程大学硕士学位论文 挠于拢能力。 i 一4 2 系统的一个明显特点是对导航计算机具有很高的要求。这鼹因为捷 联系绞中“数学平台”的建立、所鸯的导靛嬲算工作及整个系统的管理和控 制工作，导航参数的驻示都由导航计算机来完成的。 2 2 数据采集系统的硬件设计 系统的硬件设计甑f p g a 为数掭采集卡的核心，v h d l 作为硬件的描述 语言。f p g a 设计方寨如图2 1 所示。用刖班m 公司第列代可编穰逻辑器 件开羧较件q u a r t u s 作为设计、开发f p g a 的环境，支持v h d l 浆设计流 程i “。a l t e r a 公司缴产的e p f l 0 k 3 0 共有2 0 8 个管脚，能够完成3 万门的 各穗设计，楚现在市场上酌主流产潞。在编译工程串测定e p f l 0 k 3 0 芯片的 器件特性( 可用门数、逻辑单元数、最大用户i o 数簿) 符合本设计的要求， 遥定 擎为本设计靛爹p i g a 芯片。 凋2 2 f p g a 设计方案 l 。4 2 惯导系统的陀螺弱力珏速度计的输出惯号共鸯1 2 路，采露2 5 锋并爨 连接至数据采集卡。施密特触发器( s c h m i t tt r i g g e r ) ，是脉冲波形变换中经常 使用的一种电路。由予陀螺聋h 加速度计的输出信号考雹京4 ，上下沿不够陡峭。 施密特触发器可以将边沿变化缓慢的信号整形为边沿陡峭的矩形波，而且可 以将魏加在矩形脉冲离、低呶平上的穗刺于扰有效地涛除。因此，将施密特 触发器作为整形电路。数据采集卡选稠i s a 总线连接至导航计算机。用f p g a 实现i s a 总线的控制逻辑。 7 暗尔演工程大学硕士学位论文 2 。2 。2 数掌频率计的设讨 数字频率诗由一个测频控铡甓号源发生器t e s t c t l 、一个莠辩$ 孛镬能 的二进制十六位计数器c n t 、一个十六位寄存器r e g l 6 。下面分别介绍数字 频率计各个模块的功积设计方法。 2 2 2 1 测频控制信鼍发生器的设计 频率测量的基本原理是计算一段时耀走的德溅傣号躲脉冲个数。这藏要 求测频控制信号源发生器的计数使能信号能产生1 7 7 秒的周期信号，并且对 频率计的计数器c n t 蛇e n a 使能端遴行嚼步控制。当t s t e n 为赢电平时， 容许计数；低电平时，停止计数，并且保持所计的数。在停止计数期间，首 先需要一个锁存信号l o a d 的上跳沿姆计数器在翦1 1 5 4 秒的计数值锁存在 1 6 位锁存器r e g l 6 中。锁存信号后，必须柯一个清零信号c l rc n t 对计 数器进行清零操作，为了下一个1 7 7 秒的计数操作作好准备。测频控制信号 发生器的时序图如图2 3 所涿。为了产生这个时序圈，需要菌先建立一个由 d 触发器构成的二分频器，在每个c l k 上升沿到来时其值翻转。其程序如下： p r o c e s s ( c l k ) 一一该进程定义的敏感信号为c l k ，当c l k 改变辩， b e g i n 一一将启动进程的运行 i fc l k e v e n ta n dc l k = i t h e n 一- - c l k 为上升滔对，进行时钟 d i v 2 c l k = n o td i v 2 c l k ； 一一二分频，信号翻转 e n d i f ； e n dp r o c e s s ； 这是一羧避程( p r d e 嚣s s ) 语匈。进程语鸯本身是并行添匈，按并行执 行方式运行，而进程语句结构包含了一个代袭设计实体中部分逻辑行为的、 独立豹颁穿语篱搐述豹遴程。进程静语鸯结搦由三部分组成，述程豹诱鹈帮 分主要说明姥局部爨。顺序描述语句部分觎含对信号的赋德，敏感信号参 数弱逡程癌动语句，颓痔摇遴、子纛窿懿语镯。爨及进程魏滋语句。敏感信 号参数表列出了用于启动本进程可读入的信号名。进程之间的通信愚通过传 递谊譬秘共事变量毽窳实瑰瓣。爨戳疆对手终撵嚣采滋，信譬吴寄金嚣毪， 它是进程之间进行并行联系的墓要途径。因此，在任何一个进程的说明部分 哈尔滨工程大学硕士学位论文 不可以定义傣号。 c。xc：，f1：!fl：；!：-。1匈：c嚣ir_cnt i l 三j 9 冶尔满工程太学颈士学位论文 羚i n ：i ns t dl o g i cv e c t o r ( t 5d o w n t 0 0 ) ；一 8 键据准逻辑使 d o u t ：o u ts t dl o g i cv e c t o r ( 1 5d o w n t oo ) ) ；一一矢辙 这是段设计蜜体单元中懿避翟说明都分，是对寒存嚣爨蟊驰说唆。在v h d l 语言中实体韵端口格斌为p o r t ( 端口名：端翻模式数措类型) ；端口名是设计 者为实体兹每一个对外遥道联取懿名字；蠛爨豹模式分建四稚：i n 辕入、o u t 输出、i n o u t 相当予双向弓 脚。b u f f e r 相当于带输潞缓冲器的并鼠可以回 读的弓l 脚。 这里韵端翻捂述数据类型为标准逻辑位矢最，即s t dl o g ev e c t o r ， 还有撂准逻辑谯，即s t dl o g i c 。以上两种数据类型郄定义谯i e e e 库的程 序雹中s t dl o g i cl1 6 4 中。它的联值可菇洳丸释：u 未初始纯，x 强采 知，0 强0 ，l 强l ，z 高腿态，u 弱0 ，h 弱1 ，w 弱求知，。忽略。 s t dl o g i c 在编翟中是穰囊要静。窀胃茨缀没诗模襁一鎏采知积齑疆态静 线路情况。标准逻辑l 立矢量是一维的数组，数组中的镪一个元素的数据类型 帮莛舔准逶辑位。 瑚 图2 5 寄存器盼r t ， 对序仿真铡试结聚如图2 6 所示，在1 5 0 ，0 n s 对剡，信母l o a d 的上升 滏之斌，d o u t 辕出1 5 0 0 n s 时刻d i n 的数谯“1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 ”，涯明设 计符念预定的藉求。 圈2 6 寄存器的工作时序 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 。2 。3 计数爨c n t 戆设计 糖联系统的原始测量信号来自陀螺仪和加速度计的输出。系统中待测量 值是激光陀螺稠加速度计输出蛉电滚，经过a 0 转换，采用了电滚频率转换 方式，将电流转换成正负脉冲序列。这样每个脉冲就代表了一定的角速度或 线加速度的增量，其单位时间内正负脉冲序列的代数和代表了被测熊速度或 线加速度的积分值。 依照通常的计数器设计恩路设计，输出为一个像宽为十六位蛇摭准逻转 位矢慧，特殊之处是肖一个时钟的使能端e n a ，用于锁定计数值 “。当高电 平时可以计数，低电平时禁止计数。程序段设计如下； p r o c e s s ( c l r ，e n a ，c l k ) 一进程定义的三个敏感信号c l r ，e n a ，c l k b e g i n i fc l r = 1t h e nc q l d i n ，d o u t = d o u t ) ； 元件例化语句的格式为：元件倒化名：例化元件名p o r tm a p ( 例化元件端 口名一 连接实体端翻名，) ； 融上可觅，元件的例化中有两部分。第部分元件定义语甸，榴当予对 一个现成的设计实体进行封装，使萁只留下辨面的接口界蔼。就像一个集成 芯片只留几个引脚在外一样。类属袭列出断阴的数据类型和参数，例化元件 的端搿名表捌出了对外通信静各个端臼名。第二部分为元彳串侧亿语句，元件 例化名类似于标在当前电路檄中的一个插座窝，而例化元件名是准备在这个 插座上插入酌、已经准备好静元箨名。p o r t m a p 怒端舀崴瓣静意愿，箕中 的例化元件端口名是在元件定义语句中的端口名中融经定义好的例化元件端 叠鹣名字，连接实傣臻毯名掰是餐麓系统予准备奔入豹弼纯元俘对斑端叠稳 连的通信端口，相当于插座上的引脚名。 图2 1 1 频率计的工作时序 在时序仿真模拟中，f s i n 输入为周期i o n s 的脉冲信号，c l k 输入1 0 0n s 的脉渖信号。仿真结果船雷2 1 1 所示，计数器模块静e n a 使能端爵臼第一个 高电平的时间段内，计数器计数f s i n 脉冲数为十个，寄存器输出端d o u t 输出为“o o o o o o o o l o l o ”，符合设计要求。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 。2 3 减法器的设孳 囊于嫒憋测量缝传摸数转换电鼹是正、受嚣逶遴形式簸爨( 分涮对应正 向、反向的速度增量缄角度增量) 。所以对成的正、负通道输出数值需要进行 合成逡冀，然羼再乘上各自的标度因数，才g 褥剽导簸计算蠛耩罴要瓣数握。 因此，需要进行减法器的设计。 减法器的结构体程序段如下腰示： a r c h i t e c t u r eo n e o f a d d e r i s 一一定义a d d e r 的结构体名为o n e s i g n a lt e m p o r a r y ：s t d _ l o g i c _ v e c t o r ( 1 5d o w n t o ；一- - t e m p o r a r y 为计算中阕量 b e g i n p r o c e s s ( a ，b , t e m p o r a r y ) 一一定义进程的敏感信号为a , b , t e m p o r a r y b e g i n t e m p o r a r y 一( n o tb ) + t l ；一一b 的枣 码赋傻给t e m p o r a r y y ”两者都是必须存在的。这是，例化元件端口 与实体端口名的对应式，在p o r t m a p 句中的位置可以是任意的。在2 2 1 4 小节中的程序段使用的便是这种关联方式。 另一种是位置关联方式。如果使用这种关联方式，端口名和关联连接符 号都可以省去，在p o r t m a p 句中，只要列出当前系统中的连接实体端口名 就行了，但要求连接实体端口名的排列方式与所需例化元件端口名在位置上 一一对应。在本小节的程序段中使用的便是这种关联方式。 对整个的工程项目进行功能测试。f p g a 的输入有1 2 路信号，共6 对。 每一对包括一个惯性测量元件输出的正向、负向信号。在这里，选取一对信 号来测试。编写v h d l 程序段描述如图2 1 5 所示的电路结构。包含两个数字 频率计、一个减法器。以一定的周期，完成对一个惯性测量元件输出的正向、 负向信号输出脉冲数的计数，并且对两组计数值进行求差计算。所得结果通 过总线送向导航计算机。 在对图2 1 5 所示的电路进行仿真分析时，d i n 0 输入周期为l 微秒的脉 冲信号；d i n l 入周期为2 秒的脉冲信号；c l k d i v 输入周期为1 毫秒的脉冲 咯尔滨工程大学硕士学位论文 信号。由程序的设计以及图中麴电路逡接分掇可知：f r e q 中的t e t e n 售号、 l o a d 信号的周期都为2 毫秒，t e t e n 为高电平阶段计数d i n 0 的计数值为 1 0 0 0 个，计数d i n i 的计数傻海5 0 0 个，经过减法爨计算所褥输出傻为5 0 0 。 图2 ，1 5 测试窀鼹r t l 使用q u a r t u s i i 进行时序仿真结果如图2 。1 6 所示。输出端c q 的输出值为 “0 0 0 0 0 0 0 i t l l l 0 1 0 0 ”，转纯为十避铡数为5 0 0 。与设计秘标是一致的。 正鲷 设计鼹符合要求的。 醒2 1 6 测试电鼯的时净仿真圈 2 2 5 2f p g a 与i s a 总线的接口设计 为了方便c p u 对总线静访问，i s a 总线基本为c p u 外部总线的延伸。 因此，f p g a 中关于i s a 接口设计部分的逻瓣不是缀复杂，仅占用f p g a 中 的很小部分逻辑单元。实现的功能为：8 能数字信号的输出；2 0 位地址信 号的输入；定时中断申请信号的输出；i o w r 、i o r d 即i 0 空闻读、写控制 端信母输入；r e s e t 即复位佰号的输入。 数据采集卡采用的是硬件中断中的电平触发方式，这就要求该电路把最 振芯片所产生的高频窄脉冲铸号转变为电平储号，并在执行究中断服务程序 后能够撤除本次中断电平，以防止发生重复中断嵌套问题。f p g a 中的中断 1 8 蹬尔滨工稷大学壤士学垃论文 申请子模块通过i r q 5 线产生硬中断。借用系统配鼹的i o 设备所占用中断向 量号1 3 。霸v h d l 语言缡莓邀路模块，产生毫耄平兹中叛请求蕊譬，遥j 熏惑 线接到导航计算机的扩充槽相应的i r q 5 引脚上。设计导航计算机由数据采 集卡0 0 1 2 9 8 7 秽( 靼l 力7 黪) 读入一次数据。那么，琢瑟工程文转孛款务个 模块的时钟基准的阀期为0 0 1 2 9 8 7 秒。采用1 m h z 的晶振芯片，那么需要设 计令努频器对晶摄芯片产生豹熬冲遂彳亍分频。稳净段魏下掰示： p r o c e s s ( r e s e t , c l o c k l b 嚣g 羹畸 i fr e s e t = 1t h e n 一一分频器复位电路设计 c l k d i v = o ： c o u d i v 一o ： e l s e 工fc l o c k e v e n t a n dc l o c k = l t h e n i fc o u d i v = 6 4 9 3t h e n 一一1 秒除以7 7 为o 。0 1 2 9 8 7 秒，再除以2 c o u d i v = 0 ；一为o 0 0 6 4 9 3 秒为c l k d i v 半个周期耗时。 c l k d i v = n o tc l k d i v ；一一o 0 0 6 4 9 3 秒除以1 毫秒为6 4 9 3 e l s e c o u d i v = c o u d i v + 1 ： e n d i f ； e n d i f ； e n d i f ； e n d p r o c e s s ；一- - c l k d i v 作为新的晶振时钟，输出到各个电路模块 设诗好懿滗时中舔申请予模块电辩函知赘2 。1 7 新幂，萁输邂信号楚i s a 慧线 的m q 5 。 c 图2 1 7 定时中断申请电路r t l r 0 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 系统还用到了i s a 总线憋复位r e s e t 镕号，当r e s e t 傣号有效的时候， f p g a 将输出都置为霉，1 6 彼计数器和数字频率计也都被清鼯。 系统中包食有6 个图2 1 5 所示的电路模块。将它们映射到系统的i o 空 间中，访问它们就是访问相应的t o 空间。这需要地班线( a d d r e s s 1 9 - 0 ) 、 数据线( d a t a 1 9 - 0 】) 、信号i o w r 、i o r d 控制对端口的读写。农设计地 址译码电路时，要根据c p u 与i o 端翻交换数据时的流向( 读写) ，数据读、 写范围( 高8 位低8 饺) 的要求来b 入相应的控制信号，参加地址译硒电路， 6 个胬2 1 5 所示的电路模块( 每个模块的输出端日c q 与当前系统的连接实 体端阴f i n a l o u t i 相连接i 范围为0 - 6 ) 对应的i o 空间地址的分配为： 0 0 3 0 0 h 0 0 3 0 b h 。程序的实现上使嗣条件信号赋值语句： d a t a = f i n a l o u t o ( 7d o w n t oo ) w h e na d d r e s s 号x ”0 0 3 0 0 ”a n d l o r d = 一0e l s e 一一当地址为0 0 3 0 0 h ，读入数据输出低8 位 f i n a l o u t 0 ( 15d o w n t o8 、w h e na d d r e s s x ”0 0 3 0 1 ”a n d i o r d = 一0e l s e 一滔遗垃为0 0 3 0 t h ，读入数据输斑高8 能 “z z z z z z z z ”：一一蟪墟线箕继情形，数据线为离疆杰 其中，条件信号赋值语句表选形式如下： 斌毽瓣标。表达式w h e n 簸篷象待e l s e 表达式w h e n 赋值条件e l s e 表达式： 在撬行条舞信号赋潼溪訇越，每一令斌蓬懿条传是按写戆j 溪彦逐瑗测定熬， 一旦发现赋值的条件为t u r e ，立即将表达式的值赋给赋值目标。 2 2 数据采集卡的驱动程序设计 在计算机中实现数据的输入和输出有多种多样的方式。中断传输方式咀 其执行速度快，可实时处理，不占用c p u 过多的时阅等特点，在一些舞级憋 应用场合被广泛使用。本设计既是采用中断传输方式 “。 艨谓中躜，是指c p u 在挺常运程程序时，由于程序的羰党安排或嚣内终 哈尔溟工程大学硕士学位论文 部事件，弓l 起c p u 中鞭正在进行盼援詹，恧转到为预先安捧的事件或内铃部 事件服务的程序中去。其中引起程序中断的攀件称为中断源。 翅c 语言编写中蹶程序熬方法霹由以下几部分实现：即编写中断服务掇 序，襄装中断服务程序，激活中断服务程序。 否 圈2 + 1 8 数据采集疑理滚援强 2 。2 。1 缡写中断服务程序 编写中断程序的镁务是，当中断产生后，脱离被中断的程序，馒系统执 2 l 晗尔浜工程犬学硕士学位论文 行中蹶服务的程序，它必须努鞭当裁执行毂程序，急辫完成一些特定的操佟， 因而该程序中应该包含一些特定的操作，因此该程序中包括一些能完成这些 操作的语句和函数，毅涉及d o s 重入闻题，霞面不废该有与d o s 系统调用 有关的库函数。，如p r i n t f ( ) , s p r i n t ( ) 等。 由于产生中断时，必须傺蟹被中断程序中断时的些现场数据，即保存 断点，这些值都在寄存器中( 诺不保存，当中断程序用到这些寄存器的时候， 将改变它们的值) ，以便恢复中断的时候，使这些值复原，以继续执行原来中 断了的程序。t u r b oc 为诧提供了一种新的函数类型i n t e r r u p t ，它将保存由该 类型函数参数之处的铸个寄存器的值，而且在退出该函数的时候，即中断恢 复的时候，髯恢复这魏寄存器的数值，因而掰户豹中断服务程序必须定义藏 这种类型的函数。例如中断服务程序名定为e x a m p l e ，那么可以将这个函数 说鞠成下列形式( 其中的参数将保存各个寄存器的魑) ： v o i di n t e r r u p te x a m p l e ( u n s i g n e db p ，u n s i g n e dd i ，u n s i g n e ds i ，u n s i g n e dd s ， u n s i g n e de s ，u n s i g n e dd x , u n s i g n e d 镊，u n s i g n e db x ， u n s i g n e da x ，u n s i g n e di p ，u n s i g n e dc s ，u n s i g n e d f l a g s ) 使用过i n t e r r u p t 丽数之臌，在中断服务程序中用户就可以像使用无符号 整数变量一样，楚焉这些毒存器。 诺中断服务程序中不使用上述的寄存器，也就不会改变这些寄存器原来 憝毽，露秀也虢不需要保存它们。本竣诗静中瑟骚务糕痔中浚骞矮鬟寤存器， 因此采用了无参数形试的i n t e r r u p t 函数形式： v o i di n t e r r u p tt a k e ( ) ) 按照设诗黪要求，数撵巢集卡每隔1 7 7 移囱导靛诗算撬枣请一次孛薮。 同时把三个陀螺，三个加速度计的输出信号共1 2 路经过数据的采集与处理送 入至l 黪舷诗算极孛。中錾骚务程痔要每疆l 群7 秒接受一缝数提( 共6 令1 6 位二进制数据) 。并且每1 秒中对各路采集卡送入的数据( 7 7 个数搦) 相加 求和。每秒把求帮的终累进行标定瘸予导舷黪冀。霹瑟，中凝鼹务麓廖中斡 内容怒这个驱幼程序的核心部分。 搂受数攥采集卡瓣辕出使题到以下函数； 哈尔溅工程大学硕士学位论文 i n tg e t g y r o s ( i n tn i n d e x 、 l a l n d e x _ l ： i n tn = i n p o r t b ( 0 x 3 0 0 + n l n d e x ) ；一一通道范围为0 x 3 0 0 0 x 3 0 5 r e t u r n ( i n p o r t b ( 0 x 3 0 1 + n l n d e x ) 8 ) + n ； 一一先取低8 彼，再取高8 位并左移8 位，二者组合为1 6 位数 襁以上的程序段中，用到了接口输入函数。在程序的其他部分，还要用 至g 接翻输宙函数。接鞠输入输出函数与i o 接口电路一起来实现计算机和数 据采集卡之间的通信。数据采集卡上肖多种不同的电路，要区别它们，启动 需要静电雎工作，需蕊赋给它们不同豹施薤。为了将这些遣蟪和存储器的地 址相区别，称它们为接口地址。按接口地址去寻址。 p c 梳使粥焉焉遣垃表示i o 日遣垃，既是有1 0 2 4 个韶遣蛙。前5 1 2 个供系统电路板使用，后5 1 2 个供扩充槽使用。即当以= o 袭示为系统板上 静i o 日遥址；盏= l 时表示扩充稽上接臼卡的日遮垃。2 0 0 0 3 f f 遗垃范禹 为扩充插槽使用的口地址，因此接口卡的地址一般局限在此范围内，已被专 蘑接嗣卡占溺戆蜀逮璇不l 髯往磊。 当对选中的口地址进行译码，