基于PC104的嵌入式組合導航系統(tǒng)設計

王 其，蔣 平，李 嚴，盧曉東，顧培培

（1. 南京信息工程大學 江蘇省網(wǎng)絡監(jiān)控中心，南京 210044；2. 南京信息工程大學 計算機與軟件學院，南京 210044）

0 引 言

捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)的三軸陀螺儀和加速度計直接垂直安裝在運載體上，陀螺儀和加速度計分別提供運載體角運動信息和線運動信息，是一種高精度的實時定位系統(tǒng)，在實際應用中具有高自主性、體積小、重量輕、成本低、高可靠性和輸出信息量全等優(yōu)點，這些性能的實現(xiàn)越來越多地要求集中在硬件上，即如何選擇和構建慣性導航系統(tǒng)硬件系統(tǒng)，使得系統(tǒng)在運行中實現(xiàn)高精度、穩(wěn)定性和實時性。硬件系統(tǒng)的物理實現(xiàn)需滿足結構緊湊、體積小、重量輕、功耗小、成本低、精度高和運算速度快等特點?；赑C104的嵌入式并行船舶組合導航系統(tǒng)是慣性組合導航系統(tǒng)，其優(yōu)良的性能特點適應了導航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[1]。

1 系統(tǒng)硬件總體結構

為了滿足船舶小型化嵌入式運行環(huán)境、精度高、實時性好、運算速度快等要求，在綜合研究各種硬件結構的并行處理系統(tǒng)的基礎上，采用PC104為主控機的嵌入式并行共享存儲型結構。該方案軟硬件設計通用性強且外圍電路少。

導航系統(tǒng)硬件設計結構見圖1。采用PC104作為控制中心，TMS320C6713DSP數(shù)據(jù)處理單元實現(xiàn)了系統(tǒng)的并行處理功能，主要用于捷聯(lián)算法以及信號處理；通過雙口RAM實現(xiàn)PC104與DSP之間的數(shù)據(jù)交換，使得系統(tǒng)運行效率大大提高。

圖1 系統(tǒng)硬件設計結構

嵌入式并行處理系統(tǒng)中，作為系統(tǒng)控制核心的嵌入式計算機采用PC104CPU模塊CoreModule-800E，該嵌入式系統(tǒng)模塊與傳統(tǒng)計算機軟件兼容性較好，可以完成DSP的啟動、運行及DSP的通信任務；雙口RAM采用CY7C028，它是64K*16的低功耗CMOS型靜態(tài)雙口RAM，最大訪問時間為12ns，可以承擔PC104主機與DSP之間的數(shù)據(jù)交換的基本任務；DSP芯片采用TMS320C6713，完成復雜的捷聯(lián)姿態(tài)解算和信息融合算法，是32位高速浮點型DSP，時鐘頻率為300MHz。采用標準IDE接口大容量硬盤作為存儲單元；高性能的CPLD器件XC9572編程產生控制邏輯信號，具有+5V單電源在線編程和擦除，可編程次數(shù)超過1萬次，時鐘速度達到125MHz[2,3]。

2 數(shù)據(jù)采集模塊

慣性測量單元由3個光纖陀螺儀和3個撓性石英加速度計組成，用于提供載體的角速率和加速度信息。采用串口直接接收光纖陀螺儀和GPS模塊輸出的數(shù)字信號。石英加速度計輸出為模擬信號，必須進行放大預處理、濾波平滑后再由模數(shù)轉換器轉換為數(shù)字信號。設計小型嵌入式導航計算機模擬信號采集的原理結構見圖2。綜合模數(shù)轉換器的分辨率和轉換速度兩個性能指標，導航系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集采用三通道并行數(shù)字讀出方案，即三通道并行讀取三軸加速度輸出信息，減少了通道之間的相互干擾，同時可以滿足不同精度、不同讀出速度的要求。該方案首先用運算放大器對經(jīng)過精密電阻采樣的加速度計信號進行放大，然后由ADC進行信號的模數(shù)轉換，再由采用FPGA作為PC104處理器與模數(shù)轉換器ADS1210之間的接口，將3個模數(shù)轉換器并行轉換的結果同時讀入處理器。

石英撓性加速度計輸出是電流信號，精密電阻采樣可以將加速度計輸出的電流信號轉換為電壓信號。采樣電阻會對信號產生衰減作用并引入噪聲，應根據(jù)系統(tǒng)分辨的信號精密選擇采樣電阻?？够殳B濾波是要去除測量信號中的干擾信號、系統(tǒng)內部和外部的干擾信號。當被測信號很微弱時，就有可能被干擾噪聲所淹沒，導致很大的數(shù)據(jù)采集誤差，由RC濾波器完成濾波功能[4]。放大器采用精密儀表放大器INA118，具有高精度、低功耗、高共模抑制比和寬工作頻帶等優(yōu)點，適合對各種小信號進行放大[5]。ADS1210是一種高精度、寬動態(tài)范圍，采用單一+5V電源供電，具有24位精度的新型AD轉換器件，采用串行數(shù)據(jù)傳送方式，轉換速度可由指令設定。模數(shù)轉換器ADS1210內部的可編程增益放大器也可通過指令設定，對不同幅度的輸入信號實現(xiàn)不同倍數(shù)的放大， ADS1210通過對命令寄存器TMR（Turbo Mode Rate）參數(shù)設定不同的值并改變采樣頻率，采樣頻率的變化將對結果產生直接的影響[5]。

圖2 加速度計數(shù)據(jù)采集電路

3 雙口RAM模塊設計

系統(tǒng)采用雙口RAM來實現(xiàn)PC104主機與TMS320C6713DSP之間共享同一段內存地址，從而實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交換。

雙口RAM是系統(tǒng)的共享存儲器，也是高速數(shù)據(jù)交換通道，雙口RAM承擔了PC104與6713DSP之間的數(shù)據(jù)交換任務，系統(tǒng)的硬件平臺采用的雙口RAM是CY7C028 64K*16的CMOS雙端口靜態(tài)RAM。雙口RAM內部存儲單元可同時異步訪問，但兩側不能同時訪問同一地址單元，這就是雙口RAM芯片結構上存儲數(shù)據(jù)共享的特點。

雙口RAM CY7C028的數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線均具有完全獨立的兩套，由XC9572 CPLD來管理其控制權，使CY7C028的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線在DSP和PC104主機之間切換，從而完成數(shù)據(jù)在PC104主機和6713DSP之間的高速交換，CPLD邏輯譯碼電路（見圖3）。

CY7C028的右端口輸出使能引腳與DSP的RD引腳相連，當DSP從雙口RAM中讀取數(shù)據(jù)，就發(fā)送高電平脈沖信號到RD端引腳，選中雙口RAM并設置為允許輸出狀態(tài)，此時TMS320C6713DSP就可以從雙口RAMCY7C028內存單元讀取數(shù)據(jù)。由XC9572CPLD經(jīng)過硬件程序譯碼產生右端片選信號，DSP選中右端口的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線，進行相關讀寫操作。DSP的寫引腳利用低電平信號驅動CY7C028雙口RAM寫芯片引腳為低，配合CPLD地址譯碼完成DSP往雙口RAM中寫數(shù)據(jù)。

CY7C028左側端口雙口RAM的芯片輸出使能引腳由PC104主機的SMEMR讀數(shù)據(jù)引腳驅動，一旦PC104對CY7C028雙口RAM有讀數(shù)據(jù)請求，CY7C028的左端口就被設置為輸出狀態(tài)，隨時準備外部數(shù)據(jù)總線讀取內部數(shù)據(jù)。片選信號由XC9572CPLD譯碼產生，PC104通過將寫引腳設置為低電平來驅動CY7C028雙口RAM左端口寫控制引腳低電平信號，從而完成CY7C028雙口RAM芯片內存地址的寫操作[6]。

圖3 CPLD邏輯譯碼電路

4 系統(tǒng)軟件設計

針對船舶導航系統(tǒng)的小型化、嵌入式并行處理的特點，設計系統(tǒng)程序流程見圖4。系統(tǒng)程序流程圖包括導航系統(tǒng)自檢模塊、導航初始數(shù)據(jù)裝訂模塊、導航初始對準模塊、捷聯(lián)解算模塊和GPS信息融合模塊[7,8]。

導航系統(tǒng)上電運行后，導航計算機和各傳感器自檢并輸出相應的信息，如果自檢正常，接受發(fā)送的初始經(jīng)、緯度信息、速度信息以及姿態(tài)信息并進行驗證，確認信息正確后進行初始對準、導航解算和信息融合濾波。最后將采集得到的原始數(shù)據(jù)和導航計算機運算得到的信息傳送給控制計算機，以供后期數(shù)據(jù)分析使用[9]。

圖4 導航軟件流程

5 系統(tǒng)測試實驗

在實驗室環(huán)境下測試導航計算機的性能。陀螺儀和加速度計的零位漂移分別為0.1°/h和0.001m/s2。慣性測量單元在GPS信號輔助下組合導航系統(tǒng)靜態(tài)實驗，此時在導航計算機中存儲有捷聯(lián)算法和相應的信息融合算法，慣性測量單元安裝在三軸轉臺上，采用速度+位置匹配的組合導航方式，由于GPS校正作用，系統(tǒng)位置誤差呈現(xiàn)收斂，誤差始終保持在1.5m范圍內，具有較高的定位精度?？朔藨T性測量單元誤差呈發(fā)散缺點。

6 結 語

基于PC104的嵌入式并行導航計算機，采用嵌入式并行多處理器結構，脫離了傳統(tǒng)的計算機平臺，設計了高精度數(shù)據(jù)采集電路，雙口RAM并行數(shù)據(jù)傳送模式和CPLD接口電路設計，實驗室三軸轉臺實驗證明所設計的系統(tǒng)能夠滿足高精度、小體積、實時性、低功耗等要求，為實現(xiàn)船舶導航計算機小型化具有實際意義。

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