基于FPGA的MIMU信號(hào)處理技術(shù)研究

高挺挺，王明明，潘 輝

（中國空空導(dǎo)彈研究院 河南 洛陽 471009）

由微加速度計(jì)和微陀螺儀構(gòu)成的微型慣性測(cè)量組合MIMU（micro inertial measurement unit）是微機(jī)電系統(tǒng)的一個(gè)重要分支，是國際上近年來發(fā)展起來的新技術(shù)，是一種依靠自身設(shè)備的自主式慣性測(cè)量組合，它具有數(shù)據(jù)更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，加之其具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在姿態(tài)測(cè)控、武器制導(dǎo)和其他軍事及民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。由于MIMU慣性器件具有傳統(tǒng)慣性器件不具備的優(yōu)點(diǎn)，極有可能成為未來航空航天系統(tǒng)的主要慣導(dǎo)器件，美國、日本和俄羅斯等國均已在這方面開展器件和應(yīng)用研究，國內(nèi)清華大學(xué)和北京大學(xué)較早開展MIMU的研究，“十一五”期間已研制出高精度MIMU樣件。

MIMU具有其他器件不可比擬的優(yōu)越性但是現(xiàn)有MIMU的接口形式和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與目前激光陀螺和光纖陀螺不一致，無法直接應(yīng)用系統(tǒng)中去，MIMU在使用和測(cè)試上存在一定困難。本文的目的是通過MIMU信號(hào)處理電路，使MIMU的信號(hào)輸出格式與目前應(yīng)用系統(tǒng)和地面測(cè)試系統(tǒng)相兼容，為MIMU的應(yīng)用驗(yàn)證研究提供條件，為高精度微型慣性測(cè)量組合的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 設(shè)計(jì)要求

1.1 MIMU接口形式

擬使用的MIMU采用標(biāo)準(zhǔn)RS422接口，波特率為230.4 kbps，通訊格式為：1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無奇偶校驗(yàn)位。產(chǎn)品正常工作時(shí)，一幀數(shù)據(jù)有31個(gè)字節(jié)，包含有幀頭、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、幀ID、加速度計(jì)數(shù)據(jù)、陀螺數(shù)據(jù)、幀計(jì)數(shù)、校驗(yàn)和等內(nèi)容。MIMU的數(shù)據(jù)格式如表1所示。

表1 MIMU幀數(shù)據(jù)格式Tab.1 Format of MIMU data in one frame

1.2 激光或光纖陀螺

目前IMU通常采用激光或光纖陀螺，其輸出為脈沖頻率調(diào)制方式，通過專用接口組件送到應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行處理或送到性能測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

因此，MIMU不能直接應(yīng)用到目前的系統(tǒng)上進(jìn)行試用和驗(yàn)證，要先進(jìn)行匹配性設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)信號(hào)處理電路，其功能是：對(duì)MIMU信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將標(biāo)準(zhǔn)RS422輸出轉(zhuǎn)化為目前IMU頻率調(diào)制的TTL脈沖輸出形式，使MIMU的接口與應(yīng)用系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)的接口相匹配，從而實(shí)現(xiàn)MIMU的應(yīng)用驗(yàn)證研究。

1.3 技術(shù)要求

基于FPGA的MIMU信號(hào)處理電路的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

從上圖中可以看出，信號(hào)處理電路要同時(shí)滿足MIMU和激光或光纖陀螺的接口指標(biāo)要求，不間斷的接收MIMU發(fā)送的陀螺和加速度計(jì)信息，在硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上完成MIMU數(shù)據(jù)接收、處理和發(fā)送，然后提供足夠精度的慣性測(cè)量數(shù)據(jù)。

信號(hào)處理電路的主要技術(shù)指標(biāo)有：

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System architecture overview

1）實(shí)時(shí)接收MIMU發(fā)送的RS422格式數(shù)據(jù)，可識(shí)別幀類型，并進(jìn)行校驗(yàn)。

2）從信號(hào)線上分別輸出相應(yīng)的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)，脈沖個(gè)數(shù)按照當(dāng)前的有效MIMU數(shù)據(jù)計(jì)算得出。

2 硬件設(shè)計(jì)方案

2.1 主處理器的選擇

根據(jù)信號(hào)處理電路的技術(shù)要求，處理電路完成信號(hào)處理與轉(zhuǎn)換功能沒有復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，本設(shè)計(jì)中FPGA選用Altera公司的EPF6016芯片作為主處理器。該芯片具有豐富的硬件資源，能夠真正實(shí)現(xiàn)多模塊并行工作，具有低成本、低功耗、小體積等突出優(yōu)點(diǎn)[4]，在5 V供電電壓下，該芯片能夠提供大于100 mA的I/O驅(qū)動(dòng)能力，能夠高速、準(zhǔn)確地完成MIMU輸出信號(hào)的接收、處理以及飛控艙信號(hào)的輸出和驅(qū)動(dòng)。

2.2 FPGA最小系統(tǒng)

FPGA最小系統(tǒng)是FPGA系統(tǒng)工作所需的基本電路，主要包括電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、JTAG電路以及配置芯片電路等。FPGA最小系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

EPF6016采用被動(dòng)串行（PS）配置方式。MSEL1、MSEL0是EPF6016選擇配置方式的引腳，外圍電路中均接地，選擇PS 方式[5]。

配置芯片是一種能產(chǎn)生配置時(shí)序的ROM，分為一次編程型和可擦除型兩種[6]。本設(shè)計(jì)采用Altera公司的EPC1系列配置芯片，在程序最終測(cè)試成功后，寫入該芯片中。FPGA在上電后，會(huì)自動(dòng)從配置芯片中讀出配置數(shù)據(jù)，存入SRAM中。

2.3 MIMU接口電路

MIMU接口電路主要包括供電電路部分和數(shù)據(jù)通信電路部分，采用31針的微矩形航空接頭。MIMU所需的供電電壓為±15 V和5 V，由外部電源提供供電。MIMU的數(shù)據(jù)通信接口采用標(biāo)準(zhǔn)的RS422異步串行口，波特率為230 400 bps，接口電路如圖3所示，主要是在MIMU接口與FPGA主處理器之間通過1個(gè)RS422收發(fā)器，將差分信號(hào)轉(zhuǎn)化為TTL電平信號(hào)。本設(shè)計(jì)中采用MAX490芯片進(jìn)行差分信號(hào)轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)全雙工數(shù)據(jù)通信，快捷方便。

圖2 FPGA最小系統(tǒng)電路圖Fig.2 The minimal circuit of FPGA

圖3 MIMU通信接口電路圖Fig.3 The interface between MIMU and FPGA

2.4 信號(hào)輸出電路

信號(hào)輸出電路主要是提供足夠的驅(qū)動(dòng)能力，輸出應(yīng)用系統(tǒng)或測(cè)試系統(tǒng)所需的慣性單元接口信號(hào)。由于FPGA芯片EPF6016的I/O管腳能夠提高不小于100 mA的驅(qū)動(dòng)能力，本設(shè)計(jì)直接用FPGA芯片的I/O管腳進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，不再考慮增加驅(qū)動(dòng)能力。

3 軟件設(shè)計(jì)方案

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，軟件實(shí)現(xiàn)分成3部分：第一部分實(shí)現(xiàn)對(duì)MIMU發(fā)送RS422數(shù)據(jù)的接收與實(shí)時(shí)處理；第二部分實(shí)現(xiàn)向應(yīng)用系統(tǒng)或測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)送帶有加速度角速度信息的脈沖數(shù)據(jù)；第三部分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能自檢。

信號(hào)處理電路軟件是用Verilog HDL語言編寫的FPGA程序，主要包括頂層模塊、時(shí)鐘模塊、UART發(fā)收機(jī)模塊、數(shù)據(jù)接收和轉(zhuǎn)換模塊以及信號(hào)輸出模塊等5個(gè)模塊，其原理框圖如圖4所示。

圖4 FPGA內(nèi)部邏輯圖Fig.4 FPGA logic diagram

3.1 頂層及時(shí)鐘模塊

頂層模塊主要功能是確定FPGA的輸入輸出，實(shí)現(xiàn)輸入輸出管腳以及內(nèi)部各個(gè)模塊彼此之間的連接和信號(hào)、數(shù)據(jù)的傳輸。

時(shí)鐘模塊主要是為信號(hào)輸出模塊提供500 ns基礎(chǔ)時(shí)鐘、角速度信號(hào)輸出所需的同步信號(hào)Out1以及加速度信號(hào)輸出所需的計(jì)時(shí)信號(hào)。其中500 ns時(shí)鐘是對(duì)50 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行分頻獲得，Out1信號(hào)則是以外部輸入的信號(hào)In1為基準(zhǔn)，而計(jì)時(shí)信號(hào)則是對(duì)外部輸入的信號(hào)In3計(jì)數(shù)產(chǎn)生的，以500 ns時(shí)鐘為例，流程圖如圖5所示。

圖5 時(shí)鐘模塊流程圖Fig.5 Flow chart of the clock module

3.2 UART收發(fā)機(jī)模塊

UART收發(fā)機(jī)模塊的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的異步串行數(shù)據(jù)讀取，主要包括起始位檢測(cè)、同步時(shí)鐘產(chǎn)生、波特率計(jì)數(shù)以及數(shù)據(jù)讀取等4個(gè)部分。

根據(jù)異步串行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，在空閑狀態(tài)下，數(shù)據(jù)線上為高電平，當(dāng)有數(shù)據(jù)來臨時(shí)，首先會(huì)把數(shù)據(jù)線拉低，這一位即是起始位。起始位檢測(cè)即是根據(jù)這一特性，在空閑狀態(tài)下檢測(cè)數(shù)據(jù)線的下降沿，并把標(biāo)志寄存器置1，在其它狀態(tài)下則把標(biāo)志寄存器置0。

波特率計(jì)數(shù)是在50 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘的基礎(chǔ)上分頻，循環(huán)計(jì)數(shù)，產(chǎn)生所需的波特率。與時(shí)鐘模塊中計(jì)數(shù)不同的是，它只在起始位標(biāo)志為1時(shí)或者數(shù)據(jù)狀態(tài)不為IDLE時(shí)才循環(huán)計(jì)數(shù)，其它狀態(tài)下計(jì)數(shù)寄存器都為0，不進(jìn)行計(jì)數(shù)。同步時(shí)鐘則是在計(jì)數(shù)寄存器中的數(shù)值為分頻因數(shù)1/2的這一時(shí)鐘周期內(nèi)為高電平，其余都為低電平。

數(shù)據(jù)讀取部分采用狀態(tài)機(jī)的模式編寫，包括了idle、shift、stop 3個(gè)狀態(tài)，這3個(gè)狀態(tài)的操作都是在rxdclk為1的條件下執(zhí)行。當(dāng)處于idle狀態(tài)下，程序?qū)邮胀戤厴?biāo)志datardy以及移位寄存器q進(jìn)行清零，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)線rxd電平進(jìn)行判斷，如果是低電平，則進(jìn)入shift狀態(tài)，否則還停留在idle狀態(tài)。shift狀態(tài)中，數(shù)據(jù)位數(shù)計(jì)數(shù)器bit_cont每次加1，移位寄存器右移一位，并把數(shù)據(jù)線上當(dāng)前的一位數(shù)據(jù)放置于移位寄存器的最高位。當(dāng)bit_cont等于7時(shí)，跳出shift狀態(tài)，進(jìn)入stop狀態(tài)。stop狀態(tài)中，檢測(cè)的停止位時(shí)，把移位寄存器q中數(shù)據(jù)賦予輸出寄存器data，并置接收完畢標(biāo)志datardy為1。數(shù)據(jù)讀取部分的流程圖如圖6所示。

圖6 UART模塊流程圖Fig.6 Flow chart of the UART module

3.3 數(shù)據(jù)接收及轉(zhuǎn)換模塊

數(shù)據(jù)接收及轉(zhuǎn)換模塊包括兩個(gè)部分：一是對(duì)MIMU發(fā)出的31字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、校驗(yàn)等；二是將MIMU的角速度、加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖數(shù)。

數(shù)據(jù)接收部分則根據(jù)MIMU的通信協(xié)議，首先對(duì)數(shù)據(jù)幀頭進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)前兩個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)是幀頭數(shù)據(jù)時(shí)，則進(jìn)行下面的操作，不是幀頭數(shù)據(jù)時(shí)則放棄該數(shù)據(jù)，重新檢測(cè)數(shù)據(jù)幀頭。檢測(cè)到數(shù)據(jù)幀頭后，則對(duì)接下來的28個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、存儲(chǔ)，以及計(jì)算它們的累加和。然后接收最后一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，并與前面28字節(jié)數(shù)據(jù)的累加和比較，相等則把標(biāo)志寄存器置為1，表明該幀數(shù)據(jù)接收完畢，不相等則說明這一幀數(shù)據(jù)中出現(xiàn)有誤碼，須舍去該幀數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分則是對(duì)上面接收的加速度、角速度值按前面介紹的增量當(dāng)量和刷新時(shí)間轉(zhuǎn)換成各個(gè)通道的脈沖數(shù)。在這里考慮到角速度和加速度的量程以及精度等因數(shù)，把MIMU輸出的每個(gè)通道數(shù)據(jù)的高八位以及低十二位舍去，取其中十二位作為有效數(shù)據(jù)計(jì)算。首先，提取最高位數(shù)值，作為符號(hào)標(biāo)志。當(dāng)符號(hào)標(biāo)志為1時(shí)，表明該數(shù)值為負(fù)數(shù)，取原數(shù)據(jù)的反碼作為其數(shù)值的絕對(duì)值；當(dāng)符號(hào)標(biāo)志為0時(shí)，表明該數(shù)值為正數(shù)，原數(shù)據(jù)即為其數(shù)值的絕對(duì)值。然后分別計(jì)算角速度和加速度的輸出脈沖數(shù)，并賦值予輸出接口，其中對(duì)于角速度脈沖數(shù)，當(dāng)符號(hào)標(biāo)志為1時(shí)，計(jì)算出的脈沖數(shù)賦予負(fù)通道，正通道賦值0；當(dāng)符號(hào)標(biāo)志為0時(shí)，計(jì)算出的脈沖數(shù)則賦予正通道，負(fù)通道賦值0。

3.4 信號(hào)輸出模塊

信號(hào)輸出模塊包括角速度信號(hào)輸出和加速度信號(hào)輸出兩個(gè)部分。

角速度通道輸出的脈沖為負(fù)脈沖，以固定頻率輸出脈沖，直到所需脈沖個(gè)數(shù)輸出完畢為止。另外，在Out1信號(hào)為高電平時(shí)，輸出正通道，在Out1信號(hào)為低電平時(shí)，輸出負(fù)通道。

加速度通道輸出的脈沖為正脈沖，在計(jì)時(shí)信號(hào)開始后，以固定頻率輸出脈沖，即檢測(cè)到一個(gè)In3信號(hào)，輸出一個(gè)脈沖，直至所需脈沖個(gè)數(shù)輸出完畢為止。加速度通道符號(hào)標(biāo)志為1時(shí)，負(fù)通道輸出脈沖，正通道輸出低電平；符號(hào)標(biāo)志為0時(shí)，正通道輸出脈沖，負(fù)通道輸出低電平。

4 結(jié) 論

本文所設(shè)計(jì)的信號(hào)處理電路充分考慮了MIMU所使用的RS422協(xié)議及幀格式要求，針對(duì)現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)或測(cè)試系統(tǒng)所使用的特殊數(shù)據(jù)傳輸格式進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了RS422數(shù)據(jù)信息向脈沖調(diào)制頻率信號(hào)的轉(zhuǎn)變。

通過對(duì)MIMU信號(hào)協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)了多標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議相互轉(zhuǎn)換，通過MIMU信號(hào)協(xié)議轉(zhuǎn)換電路，可使MIMU的信號(hào)輸出格式與激光或光纖陀螺電氣屬性兼容進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換；設(shè)計(jì)了詳細(xì)的系統(tǒng)自檢功能，可在系統(tǒng)調(diào)試中迅速并準(zhǔn)確定位故障位置，減少系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間與工作量，縮短了系統(tǒng)研制進(jìn)程；在MIMU信號(hào)處理平臺(tái)的設(shè)計(jì)過程中采取增加系統(tǒng)冗余度的設(shè)計(jì)方法，由于MIMU的信號(hào)刷新速率低，可在保證系統(tǒng)功能的前提下調(diào)高系統(tǒng)的可靠性。

MIMU信號(hào)協(xié)議處理技術(shù)研究的成功開展，可不需對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行任何修改，直接應(yīng)用國內(nèi)最先進(jìn)的MIMU，為未來小型化、智能化的迫切需求，為開展精確制導(dǎo)武器專用MEMS器件設(shè)計(jì)、制造、封裝、測(cè)試等基礎(chǔ)工藝研究以及基于MEMS器件的新型機(jī)載制導(dǎo)武器系統(tǒng)應(yīng)用基礎(chǔ)研究提供技術(shù)基礎(chǔ)。

[1]馬芮，孔星煒.MIMU在機(jī)載制導(dǎo)武器中的應(yīng)用[J].飛航導(dǎo)彈，2008（6）:45-50.MA Rui，KONG Xing-wen.The use of MIMU in airborne guided weapons[J].Winged Missiles Journal，2008（6）:45-50.

[2]富立，時(shí)光煜.基于FPGA的組合導(dǎo)航系統(tǒng)專用接口板設(shè)計(jì)[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，16（3）:330-333.FU Li，SHI Guang-yu.Design of special interface board of integrated navigation system based on FPGA[J].Journal of Chinese Inertial Technology，2008，16（3）:330-333.

[3]馬云峰.基于MIMU/GPS的組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009，17（3）:549-551.MA Yun-feng.Design of MIMU/GPS Navigation Computer[J].Computer Measurement&Comtrol，2009，17（3）:549-551.

[4]肖敏.PWM控制的FPGA實(shí)現(xiàn)[J].綿陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，28（5）:35-38.XIAO Min.FPGA implementation of the PWM control[J].Journal of Mianyang Normal University，2009，28（5）:35-38.

[5]楊揚(yáng)，葉芃，李力，等.基于FPGA的UART設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2011，34（7）:80-82.YANG Yang，YE Peng，LI Li，et al. Design and implementation of UART based on FPGA[J].Electronic MeasurementTechnology，2011，34（7）:80-82.

[6]陳興文，劉燕.基于FPGA實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)控制器設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006（2）:86-87.CHEN Xing-wen，LIU Yan.The design of impulse signal controller in stepper motor based on FPGA[J].Machinery Design&Manufacture，2006（2）:86-87.