GPS 信號中斷時慣導芯片的位置信息感知系統(tǒng)設(shè)計

武震，宋茂忠

（南京航空航天大學 電子信息工程學院，南京 210016）

武震（碩士研究生），主要研究方向為數(shù)字通信；宋茂忠（教授），主要研究方向為調(diào)制技術(shù)、通信跟蹤系統(tǒng)、衛(wèi)星導航、無線定位。

引 言

當今社會，GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)早已廣泛應(yīng)用于人們的社會生活中，如交通工具導航、個人定位服務(wù)等。但在某些情況下，由于物體遮蔽、散射等原因，我們無法實時接收到GPS衛(wèi)星信號（比如列車進入隧道）。所以有必要研究在GPS信息缺失的情況下，如何通過一定的算法產(chǎn)生模擬GPS信息，從而實現(xiàn)全天候的無縫位置感知。這在某些對位置信息敏感的場合中就顯得非常急迫和重要。

1 慣導芯片簡介

ADIS16003是ADI公司的一款低成本、低功耗，具有SPI接口的雙軸加速度計，屬 MEMS傳感器件［1］。它可以測量動態(tài)和靜態(tài)加速度并以數(shù)字量輸出，測量范圍最小可以達到±1.7g，同時還集成了溫度傳感器，可用于慣性導航、振動檢測和穩(wěn)定性測試等場合中。

SPI是串行外圍設(shè)備接口，是Motorola公司首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的。目前已廣泛應(yīng)用在EEPROM、Flash、實時時鐘、A／D轉(zhuǎn)換器以及數(shù)字信號處理器和數(shù)字信號解碼器之間，是一種高速的全雙工同步通信總線。SPI通信只需要4根線，分別為SDI（數(shù)據(jù)輸入）、SDO（數(shù)據(jù)輸出）、SCK（時鐘）和CS（片選）。通信是通過數(shù)據(jù)交換的方式完成的。SPI接口使用串行通信協(xié)議，由SCK提供時鐘脈沖，SDI、SDO則基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)輸出通過SDO線，數(shù)據(jù)在時鐘上升沿或下降沿時改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取，完成一位數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)輸入也使用同樣的原理。

ADIS16003的SPI接口通信時序及控制寄存器配置如 圖1、圖2所示。其中，常用控制字為00000100和00001100，分別表示以正常模式采集X軸和Y軸雙軸軸向加速度。

2 系統(tǒng)工作原理及主要控制信號說明

本文研究了如何在移動端GPS信息缺失的情況下，使用SPI協(xié)議建立FPGA與慣導芯片ADIS16003之間的通信，從而獲取移動物體當前的加速度。DSP將通過EMIF接口讀取此加速度，并根據(jù)之前有效的GPS信息推算出當前的概略GPS信息（經(jīng)緯度、速度和時間等）。

圖1 ADIS16003SPI接口通信時序

圖2 芯片控制寄存器配置

2.1 工作原理

FPGA驅(qū)動ADIS16003慣導芯片工作包括初始啟動和正常啟動兩種模式。

（1）初始啟動模式

FPGA上電復位時自啟動ADIS16003芯片，配置ADIS16003控制寄存器，并讀取芯片測得的雙軸軸向加速度初始值，存儲到EMIF接口的0x068～0x069地址空間供DSP讀取，用作誤差校正之用（此模式工作在移動端處于靜止狀態(tài)時，且此模式僅由DSP讀取1次）。

（2）正常啟動模式

初始啟動模式完成之后，F(xiàn)PGA將自動轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)采集階段，源源不斷地通過SPI接口從ADIS16003芯片中采集雙軸軸向瞬時加速度，以備DSP使用［2－3］。加速度每秒采集8次，每隔0.125s采集一次。每秒都將得到8組結(jié)果，分 別 為 ax0ay0、ax1ay1、ay2ay2、ax3ay3、ax4ay4、ax5ay5、ax6ay6和ax7ay7，存儲于FGPA內(nèi)部的8個中間寄存器單元reg0～reg7（非EMIF接口，每個輸出結(jié)果為12×2位，存儲于32位的寄存器組中），并隨著時間的推移不斷地刷新。這么做的目的是確保這8個寄存器組中始終保存有最近1s的移動物體加速度信息，以保證加速度信息的準確性和有效性。當CPU通過GPS接收天線檢測到GPS信息丟失時，CPU通過PCI接口給FPGA配入spi＿cmd＿val信號（高電平有效），同時通過HPI接口給DSP寫入信息丟失前2s的GPS信息（包括經(jīng)緯度、速度和時間），作為定位基點。FPGA檢測到spi＿cmd＿val信號有效后，立即將中間寄存器單元reg0～reg7中存儲的瞬時加速度送入EMIF接口的0x060～0x067地址單元（32位），同時拉高int＿spi＿done信號，產(chǎn)生外部中斷INT0（拉低DSP的INT0引腳）通知DSP從EMIF接口讀取加速度信息，并通過后續(xù)軟件算法進行信號處理，轉(zhuǎn)化為移動端經(jīng)緯度信息。再通過DSP的HPI接口上報給CPU，從而使高層獲取移動端當前GPS信息，即完成了GPS位置信息的模擬。加速度存儲格式如表1所列。其中包括初始和瞬時加速度值，共占用32位EMIF接口10個地址單元。

表1 加速度存儲格式

2.2 主要控制信號說明

①spi＿cmd＿data：ADIS16003芯片控制字（寄存器），8位，F(xiàn)PGA配入。

②spi＿cmd＿val：GPS信號缺失時 ADIS16003啟動信號，CPU發(fā)出，脈沖觸發(fā)。

③spi＿cmd＿val＿reg：ADIS16003啟動信號寄存器，及時存儲觸發(fā)脈沖，持續(xù)一個時鐘后清0。

④spi＿data＿i：ADIS16003串行輸出信號，包括雙軸軸向加速度，每個spi＿clk時鐘下降沿輸出一位，16個時鐘周期完成一次運算。

⑤spi＿cs：SPI片選信號，低電平有效。

⑥spi＿clk：SPI通信時鐘信號，由主時鐘分頻得到，此處進行32分頻。

⑦spi＿data＿o：ADIS16003控制字輸入信號，8位串行輸出，spi＿clk時鐘上升沿動作。

⑧spi＿rdata：ADIS16003運算結(jié)果，12位，每個spi＿clk下降沿輸出一位，采取移位拼接方式（向左移），在第16個時鐘下降沿輸出一次完整的采集結(jié)果（每次采集至少需要16個時鐘周期）。

⑨spi＿state：SPI工作狀態(tài)信號，0為IDLE，1為BUSY，2為DONE，采用有限狀態(tài)機進行設(shè)計。

⑩spi＿wr＿cnt＿o、spi＿wr＿cnt＿i：十六進制計數(shù)器，時鐘上升沿和下降沿分別計數(shù)［4］。

整個系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作流程

2.3 DSP后續(xù)軟件處理流程

DSP后續(xù)軟件處理流程如圖4所示。DSP在CCS 3.3軟件環(huán)境下計算完成。此處的基點（basepoint）是指最接近GPS信號消失前的具有有效GPS信息的移動物體位置，即GPS消失前2s的移動端GPS信息（每秒測量1次）。角度計算是指DSP將距離信息轉(zhuǎn)換為GPS經(jīng)緯度信息。

圖4 DSP后續(xù)軟件處理流程

3 程序?qū)崿F(xiàn)及功能仿真

3.1 芯片資源

本系統(tǒng)采用的FPGA芯片為Cyclone III系列的EP3C120F80C7器件，DSP芯片為 TMS320VC5510［5］，慣導芯片采用ADIS16003。各芯片接口和主要信號流向示意圖如圖5所示，包括PCI、SPI、EMIF和 HPI等主要外設(shè)接口。

圖5 各芯片接口和主要信號流向示意圖

3.2 軟件功能仿真

本系統(tǒng)的底層SPI通信部分使用FPGA進行驅(qū)動，采用Verilog HDL語言編寫程序，并在Quartus 10.1集成環(huán)境下進行功能仿真驗證［6－7］，如圖6所示。結(jié)果顯示，數(shù)據(jù)采集符合設(shè)計邏輯，當所有數(shù)據(jù)采集完成一次之后立即送出中斷信號觸發(fā)DSP讀取。

4 測試結(jié)果

圖6 Quartus 10.1仿真結(jié)果

圖7 SignalTap加速度在線采集實測波形

利用SignalTap II Logic Analyzer在線邏輯分析儀進行板上硬件實際調(diào)試，圖7為SignalTap加速度在線采集實測波形。測試結(jié)果顯示數(shù)據(jù)采集和處理符合芯片時序要求；FPGA與DSP的EMIF接口配合良好，經(jīng)過后續(xù)DSP軟件算法處理后能成功推算出移動物體當前的GPS信息，及時上報CPU（每秒1s）。其中SPI總線通信時鐘為1.4MHz。經(jīng)過測試，系統(tǒng)完全能夠達到設(shè)計要求，已在某大型通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

結(jié) 語

通過本系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試過程可以看出，使用FPGA作為物理層驅(qū)動具有SPI接口的數(shù)字芯片是簡單而有效的一種數(shù)字設(shè)計方案，可以較容易地滿足芯片的時序要求。通過與EMIF接口的配合還可以很好地利用DSP芯片完成眾多嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計。

［1］Analog Device.ADIS16003Datasheet，2005.

［2］孫彪.基于ADIS16355MEMS芯片的慣性測量組件系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程，2010（1）：89－90.

［3］湯霞清，晏昌平，劉培.MEMS傳感器ADIS16350接口轉(zhuǎn)換的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（18）：145－147.

［4］孫世國，陳帥，陳倩，等.基于FPGA的SPI 4.2接口設(shè)計［J］.微計算機信息，2009，25（2）：189－190.

［5］Texas Instruments.TMS320VC5510／5510A 產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊［OL］.［2011－05］.http：／／www.ti.com.

［6］祁曉磊，蔡學良，孫德瑋.用Verilog HDL進行FPGA設(shè)計的原則與方法［J］.電子測試，2008（3）：67－71.

［7］王金明.數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計與Verilog HDL［M］.3版.北京：電子工業(yè)出版社，2010.