衛(wèi)星/慣性組合定位系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

楊宗霖，姚速瑞，張浩峰*(．南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，南京0094; ．南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京0094)

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衛(wèi)星/慣性組合定位系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

楊宗霖1，姚速瑞2，張浩峰1*
(1．南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，南京210094; 2．南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京210094)

摘要:介紹了一種衛(wèi)星/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集單元的設(shè)計(jì)過(guò)程及其測(cè)試結(jié)果。系統(tǒng)以低功耗單片機(jī)MSP430為控制器，并通過(guò)18 bit 8通道同步數(shù)據(jù)采集芯片AD7609采集三通道加速度計(jì)輸出，通過(guò)串口擴(kuò)展芯片XR16V554接收三通道數(shù)字化光纖陀螺的輸出數(shù)據(jù)，由單片機(jī)串口接收GPS接收機(jī)的輸出數(shù)據(jù)。單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)打包后，通過(guò)串口輸出給導(dǎo)航計(jì)算機(jī)進(jìn)行解算。測(cè)試表明:表征數(shù)據(jù)采集單元3個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道量化噪聲水平的1小時(shí)采樣數(shù)據(jù)的1σ標(biāo)準(zhǔn)差最大值為1．76 μg(@ 1 Hz)，優(yōu)于待測(cè)加速度計(jì)偏置穩(wěn)定性(1小時(shí)采樣數(shù)據(jù)的1σ標(biāo)準(zhǔn)差)為50 μg(@ 1 Hz)的性能指標(biāo);數(shù)據(jù)采集單元同時(shí)能完成基于串口通信的陀螺輸出信號(hào)、GPS接收機(jī)輸出信號(hào)的接收及所有采集信號(hào)的正確傳輸。

關(guān)鍵詞:組合導(dǎo)航系統(tǒng);多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);多路串口擴(kuò)展; MSP430; GPS接收機(jī)

衛(wèi)星/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)因其優(yōu)良的性能，在軍用與商用導(dǎo)航領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。衛(wèi)星/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集單元與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)兩部分組成。其中，數(shù)據(jù)采集單元的任務(wù)是:將采集到的慣性傳感器數(shù)據(jù)與GPS接收機(jī)輸出的數(shù)據(jù)傳送給導(dǎo)航計(jì)算機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航解算，從而得到速度、位置、姿態(tài)等導(dǎo)航信息。作為衛(wèi)星/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)的信息來(lái)源，數(shù)據(jù)采集單元直接影響著組合導(dǎo)航系統(tǒng)的整體性能［1－3］。

論文討論的數(shù)據(jù)采集單元，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)由三個(gè)軸向的電流輸出石英撓性加速度計(jì)及三個(gè)軸向的數(shù)字化光纖陀螺組成的IMU中的各個(gè)傳感器信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣率為100 Hz。石英撓性加速度計(jì)的量程為±10 gn，偏置穩(wěn)定性(1σ)為5×10－5gn(1 Hz采樣率) ;每個(gè)光纖陀螺通過(guò)各自的串口輸出傳感器敏感的角速率;系統(tǒng)同時(shí)能通過(guò)串口接收GPS接收機(jī)輸出的信息。

針對(duì)電流輸出型加速度計(jì)，以往大多采用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的多通道I/F轉(zhuǎn)換電路將加速度計(jì)輸出的電流信號(hào)進(jìn)行I/F轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)利用CPLD(或FPGA)設(shè)計(jì)的多通道計(jì)數(shù)器完成加速度計(jì)的數(shù)據(jù)采集［4－5］;針對(duì)光纖陀螺的多串口接收，也常用CPLD(或FPGA)進(jìn)行多串口擴(kuò)展［6－7］。這些設(shè)計(jì)方案都能有效地完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、通用性不強(qiáng)，成本高，功耗大。

隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，速度快、精度高、體積小、功耗低成為組合導(dǎo)航系統(tǒng)硬件平臺(tái)的主要發(fā)展趨勢(shì)。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集單元時(shí)，采用了低功耗高性能單片機(jī)MSP430作為控制器［8－9］;根據(jù)需采集的加速度計(jì)的性能，采用I/V轉(zhuǎn)換+A/D轉(zhuǎn)換的方案代替?zhèn)鹘y(tǒng)的I/F轉(zhuǎn)換+6通道計(jì)數(shù)器的方案完成三軸加速度計(jì)輸出信號(hào)的采集;采用高集成性的串口擴(kuò)展芯片XR16V554接收3個(gè)軸向的數(shù)字化光纖陀螺的輸出數(shù)據(jù);通過(guò)單片機(jī)內(nèi)置的串口接收GPS接收機(jī)的輸出數(shù)據(jù);采集數(shù)據(jù)經(jīng)處理后通過(guò)串口發(fā)送給導(dǎo)航計(jì)算機(jī)。由于設(shè)計(jì)時(shí)采用的是集成度高、功耗低的通用電路，因此，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、成本低廉、功耗小，并能滿足數(shù)據(jù)采集的性能要求。

1　系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1．1三軸加速度計(jì)信號(hào)采集

針對(duì)前述衛(wèi)星/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)中IMU采用的加速度計(jì)的主要性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集單元選用ADI公司具有過(guò)采樣機(jī)制的18 bit 8通道同步數(shù)據(jù)采集芯片AD7609對(duì)加速度計(jì)輸出信號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣;初始采樣率為2 kHz，通過(guò)對(duì)20個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑，得到100 Hz的導(dǎo)航解算用采樣數(shù)據(jù)。AD7609內(nèi)部8個(gè)輸入通道通過(guò)多路選擇開(kāi)關(guān)共享一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，但由于每個(gè)通道具有各自獨(dú)立的采樣保持器，因此通過(guò)使多通道同時(shí)從采樣狀態(tài)切換到保持狀態(tài)(然后再對(duì)各個(gè)通道進(jìn)行分時(shí)轉(zhuǎn)換)，可以保證多通道信號(hào)的同時(shí)采集［10］。由于輸入是差分的，因此還能避免各通道共地造成的信號(hào)串?dāng)_。

1．2三軸陀螺信號(hào)采集及其他串行接口設(shè)計(jì)

與機(jī)械陀螺相比，光纖陀螺具有耐沖擊、長(zhǎng)壽命、高分辨率、寬動(dòng)態(tài)范圍、啟動(dòng)時(shí)間短等突出優(yōu)點(diǎn)，已成為捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中理想的慣性器件［11－12］。衛(wèi)星/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的IMU采用的某型光纖陀螺采用數(shù)字輸出方式，通過(guò)UART輸出數(shù)字化信息，通信波特率為115 200 bit/s;幀格式為:偶校驗(yàn)，8 bit數(shù)據(jù)位，1 bit停止位。三個(gè)軸向的陀螺信號(hào)采集，需要3個(gè)UART。

系統(tǒng)采用的GPS接收機(jī)為U-blox公司的GPS接收模塊LEA－5H，該模塊可通過(guò)USB或UART實(shí)現(xiàn)信息傳輸。由于采用UART傳輸信息已能滿足需要，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集單元采用UART與GPS接收機(jī)進(jìn)行通信。

在數(shù)據(jù)采集單元的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用了通過(guò)XR16V554擴(kuò)展多串口(UART)的方案來(lái)彌補(bǔ)數(shù)據(jù)采集單元中的控制器內(nèi)置UART數(shù)量不足的問(wèn)題。通過(guò)擴(kuò)展XR16V554，可擴(kuò)展4個(gè)擁有16 byte接收/發(fā)送FIFO的UART。

1．3數(shù)據(jù)采集單元的總體方案

綜上所述，設(shè)計(jì)了如圖1所示的衛(wèi)星/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集單元結(jié)構(gòu)。

圖1　數(shù)據(jù)采集單元結(jié)構(gòu)框圖

由圖1可見(jiàn)，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集單元主要由虛線框內(nèi)的AD7609、MSP430F247及XR16V554組成。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7609將經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換后的加速度計(jì)模擬輸出數(shù)字化，并通過(guò)SPI接口將數(shù)據(jù)送給微控制器。微控制器通過(guò)總線方式訪問(wèn)XR16V554，讀取通過(guò)3個(gè)UART接收的3個(gè)光纖陀螺輸出，而GPS接收機(jī)的輸出直接與微控制器的UART接收端相連。數(shù)據(jù)采集單元在微控制器的協(xié)調(diào)控制下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、接收、打包等處理，最后將打包后的數(shù)據(jù)通過(guò)微控制器的UART的發(fā)送端發(fā)送給導(dǎo)航計(jì)算機(jī)。

2　數(shù)據(jù)采集單元的硬件實(shí)現(xiàn)

2．1基于AD7609三軸加速度計(jì)信號(hào)采集

需采集的加速度計(jì)的標(biāo)度因數(shù)為1 mA/gn，因此其電流輸出范圍為±10 mA。由于AD7609各通道的輸入阻抗足夠大(大于1 MΩ)，因此可考慮直接采用采樣電阻的方式實(shí)現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換。當(dāng)選擇AD7609模擬輸入范圍為±5 V時(shí)，可選擇500 Ω高精度取樣電阻并聯(lián)在AD7609的差分輸入端的方式實(shí)現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換，如圖2所示。這樣傳感器的滿量程與AD7609的滿量程一致，充分利用了AD7609的A/D轉(zhuǎn)換性能。

圖2　I/V轉(zhuǎn)換方案

通過(guò)AD7609的OS［2: 0］這3個(gè)引腳可以選擇AD7609的過(guò)采樣倍率，在最高過(guò)采樣倍率下(64倍率)，A/D轉(zhuǎn)換的采樣率仍能達(dá)到3．125 ksample/s，足以滿足系統(tǒng)100 Hz的采樣率要求。設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)使OS［2: 0］引腳配置成110，使其工作在64倍采樣率模式(以獲取最高的A/D轉(zhuǎn)換滿量程量化信噪比)?？刂破魍ㄟ^(guò)控制AD7609的開(kāi)始轉(zhuǎn)化信號(hào)CONVST A引腳啟動(dòng)AD7609前4個(gè)通道的同時(shí)采樣過(guò)程;當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后，通過(guò)AD7609的SPI接口讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，完成一次三軸加速度計(jì)的數(shù)據(jù)采集。

AD7609自帶溫度系數(shù)為±10×10－6/℃的2．5 V基準(zhǔn)源。為使數(shù)據(jù)采集單元在寬溫范圍內(nèi)具有更好的性能，為AD7609配置了溫度系數(shù)更小的外部基準(zhǔn)源ADR421B(溫度系數(shù)為±3×10－6/℃)。同時(shí)對(duì)REFIN/REFOUT、REFCAPA和REFCAPB等引腳，通過(guò)10 μF電容進(jìn)行了去耦。

2．2基于XR16V554的三軸陀螺信號(hào)采集

采用XR16V554的Intel總線連接形式，通過(guò)地址引腳A［2: 0］，微控制器可以選擇該芯片內(nèi)部的相關(guān)寄存器，寄存器尋址如表1所示。通過(guò)寄存器配置可進(jìn)行波特率選擇、FIFO工作方式選擇、使能中斷、讀取狀態(tài)標(biāo)志等操作。為匹配光纖陀螺串口速率，在外接14．745 6 MHz晶振時(shí)，通過(guò)配置前置脈沖分頻器(MCR bit－7 = 1)，可得到115 200 bit/s的串口波特率。通過(guò)CSx引腳可以選擇相應(yīng)的串口通道。將INTx與控制器的GPIO引腳相連，在產(chǎn)生中斷后，通過(guò)判斷相關(guān)通道的狀態(tài)，完成對(duì)應(yīng)通道的數(shù)據(jù)接收。

表1　XR16V554片內(nèi)寄存器地址

3　數(shù)據(jù)采集單元的軟件實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集單元的軟件實(shí)現(xiàn)主要包括以下幾個(gè)方面:系統(tǒng)控制主流程，定時(shí)器中斷函數(shù)，外部中斷函數(shù)，串口中斷函數(shù)。

3．1系統(tǒng)控制主流程

圖3　系統(tǒng)控制主流程

系統(tǒng)控制的主流程如圖3所示。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始工作后，首先進(jìn)行各模塊的初始化。通過(guò)定時(shí)器初始化，配置定時(shí)器為增計(jì)數(shù)模式，使能定時(shí)器中斷，當(dāng)達(dá)到預(yù)定值便產(chǎn)生定時(shí)器中斷請(qǐng)求，系統(tǒng)進(jìn)入定時(shí)器中斷服務(wù)。通過(guò)SPI初始化，使控制器SPI工作在主模式，用以接收ADC采集到的加速度計(jì)信號(hào)。通過(guò)對(duì)擴(kuò)展串口芯片XR16V554的初始化，使其工作在FIFO模式，當(dāng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)達(dá)到規(guī)定字節(jié)數(shù)后，相應(yīng)的INTx引腳向控制器發(fā)出中斷請(qǐng)求。通過(guò)初始化配置控制器的GPIO口，可以響應(yīng)XR16V554產(chǎn)生的中斷請(qǐng)求。最后配置控制器本身的串口，使其采用DMA模式向?qū)Ш接?jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。接收端采用中斷模式，用以接收GPS接收機(jī)的輸出數(shù)據(jù)。在完成上述初始化工作后，為充分發(fā)揮MSP430低功耗特點(diǎn)，使系統(tǒng)處于低功耗0模式，等待中斷到來(lái)。若有中斷請(qǐng)求，控制器便從低功耗模式喚醒，轉(zhuǎn)而完成中斷服務(wù)。

3．2定時(shí)器中斷函數(shù)

定時(shí)器中斷函數(shù)執(zhí)行流程如圖4所示。定時(shí)器以0．5 ms為時(shí)間間隔周期性地產(chǎn)生中斷請(qǐng)求。在中斷子函數(shù)中，控制器首先發(fā)出觸發(fā)電平，用于啟動(dòng)ADC的A/D轉(zhuǎn)換，隨后選通SPI通道，讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果。為降低噪聲對(duì)A/D的影響，在2 kHz進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，采用了A/D轉(zhuǎn)換芯片自帶的過(guò)采樣技術(shù)。當(dāng)2 kHz的采樣率采集滿20個(gè)數(shù)據(jù)后，求取這20個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，作為本次導(dǎo)航計(jì)算用的3個(gè)軸向的加速度信息(100 Hz)。得到導(dǎo)航計(jì)算用加速度信息的同時(shí)，微控制器向光纖陀螺發(fā)出觸發(fā)電平，使其通過(guò)串口輸出數(shù)字化的角速率信息由擴(kuò)展的串口芯片接收。當(dāng)控制器讀取接收到的3個(gè)軸向的角速率信息后，判別是否有更新的GPS導(dǎo)航信息，若有，更新GPS信息。最后以DMA方式通過(guò)控制器的串口輸出打包后的數(shù)據(jù)采集信息。

圖4　定時(shí)器中斷服務(wù)

3．3外部中斷函數(shù)與串口中斷函數(shù)

控制器通過(guò)判斷中斷信號(hào)來(lái)源確定擴(kuò)展的哪個(gè)UART完成了數(shù)據(jù)接收，從而確定讀取的數(shù)據(jù)來(lái)源于哪個(gè)光纖陀螺。隨后將接收到的數(shù)據(jù)存于相應(yīng)的內(nèi)存空間，直到接收完所有通道的數(shù)據(jù)后，改變標(biāo)志變量，表示三個(gè)軸向的陀螺輸出數(shù)據(jù)已接收完成。陀螺接收流程如圖5所示。

微控制器通過(guò)芯片內(nèi)嵌的UART接收GPS接收機(jī)輸出的信息，通過(guò)按序查找字符“MYM GPGGA”發(fā)現(xiàn)信息的幀頭，然后按照幀格式讀取幀中數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。

圖5　陀螺數(shù)據(jù)接收流程

4　系統(tǒng)測(cè)試

設(shè)計(jì)完成的數(shù)據(jù)采集單元如圖6所示。

對(duì)設(shè)計(jì)完成的數(shù)據(jù)采集單元的測(cè)試，主要包括2個(gè)部分:一是3個(gè)通道的模擬信息的采集;二是數(shù)字信息的獲取及所有采集信息的發(fā)送。

圖6　數(shù)據(jù)采集單元實(shí)物

結(jié)合應(yīng)用背景，對(duì)3個(gè)通道的模擬信息采集的性能評(píng)估是這樣進(jìn)行的:將AD7609的3個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道的差分模擬輸入端短接，然后采集1 h數(shù)據(jù)。由于A/D轉(zhuǎn)換器是以2 kHz進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換然后平滑到100 Hz的，因此，將AD7609輸出的18 bit A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果擴(kuò)展為32 bit，圖7中所示的是縱坐標(biāo)為32 bit二進(jìn)制表示時(shí)100 Hz采樣率下3個(gè)通道1 h采集到的碼值。由這些采樣數(shù)據(jù)計(jì)算得到的1 Hz 下3個(gè)通道的采集數(shù)據(jù)的1σ統(tǒng)計(jì)值，如表2所示。表中表征測(cè)量噪聲水平的1σ/232的最大值為8．8× 10－8，等價(jià)于8．8×10－8×(10－(－10) ) gn= 1．76 μgn。顯然優(yōu)于待測(cè)加速度計(jì)1σ偏置穩(wěn)定性為50 μgn的性能指標(biāo)(加速度計(jì)性能指標(biāo)中的偏置穩(wěn)定性定義為1 Hz采樣率下1 h采集數(shù)據(jù)的1σ統(tǒng)計(jì)值)。即設(shè)計(jì)完成的數(shù)據(jù)采集單元中的三通道模擬信號(hào)采集的噪聲水平比待測(cè)加速度計(jì)的噪聲水平低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，滿足設(shè)計(jì)要求。

在此基礎(chǔ)上，在數(shù)據(jù)采集單元的3個(gè)模擬量輸入通道接入3只某型石英撓性加速度計(jì)，100 Hz采樣率下3個(gè)通道1 h采集到的加速度值如圖8所示。1 Hz平滑后的1σ偏置穩(wěn)定性分別為57．8 μgn、39．5 μgn和43．9 μgn。

圖7　輸入端短路時(shí)3個(gè)通道1 h測(cè)試采樣值(@ 100 Hz)

圖8　3只石英撓性加速度計(jì)1 h測(cè)試采樣值(@ 100 Hz)

表2　3通道數(shù)據(jù)采集噪聲測(cè)試

對(duì)于數(shù)據(jù)采集單元中的三軸陀螺信號(hào)采集及其他串行通信接口，也進(jìn)行了單獨(dú)測(cè)試，并完成了系統(tǒng)總體調(diào)試，各部分均能按照設(shè)計(jì)的時(shí)序正常工作。由于此部分調(diào)試僅涉及數(shù)字信息傳輸而不涉及測(cè)量精度問(wèn)題，因此不再列出具體的測(cè)試數(shù)據(jù)等細(xì)節(jié)。

5　結(jié)語(yǔ)

針對(duì)衛(wèi)星/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集單元提出的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性好、功耗低的數(shù)據(jù)采集單元。測(cè)試表明，設(shè)計(jì)完成的數(shù)據(jù)采集單元能實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度計(jì)模擬輸出的采集與光纖陀螺、GPS接收機(jī)數(shù)字輸出信息的接收，采集到的數(shù)據(jù)能可靠地通過(guò)UART傳送給導(dǎo)航計(jì)算機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航解算。當(dāng)采集單元中的AD7609替換成24 bitΣ－Δ型ADC時(shí)，文中介紹的數(shù)據(jù)采集單元可以在其他特性不變的前提下實(shí)現(xiàn)由更高精度的加速度計(jì)組成的衛(wèi)星/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。

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楊宗霖(1983－)，男，漢族，山東招遠(yuǎn)人，南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院學(xué)士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，13910847606@ 139．com;

張浩峰(1983－)，男，漢族，江蘇淮安人，副教授，博士，研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)器人、計(jì)算機(jī)視覺(jué)，zhanghf@ njust．edu．cn。

Design and Realization of the Telemetry System of Various Instruction Signals

ZHANG Huixin*，ZHANG Fengying，MA Rui，CUI Lijie
(National Key Laboratory For Electronic Measurement Technology，Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China)

Abstract:Aimed at test for the working status of aircraft accurately，a telemetry system was designed，which can provide various types of instruction signals．The logic control was completed by FPGA，and through Ethernet to communicate with the host computer，the speed of it can be 40 Mbit/s．On the basis of communication protocol combining with peripheral hardware，test parameters are provided for aircraft．The experimental results proved that the range of charged instruction signals produced by this system is stable，and the respond of non-charged instructions is accurate．This system has the advantages of reliability and interchangeability，which occupies a powerful practicality．

Key words:electric circuit; telemetry system; FPGA; Ethernet; W5300; instruction signals

doi:EEACC: 1230; 6210J10．3969/j．issn．1005－9490．2015．02．045

收稿日期:2014－11－24修改日期: 2014－01－04

中圖分類(lèi)號(hào):TN962

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005－9490(2015) 02－0452－06