慣導(dǎo)信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

程榮濤 傅 軍

(1.海軍駐武漢四三八廠軍事代表室 武漢 430060)(2.海軍工程大學(xué) 武漢 430033)

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慣導(dǎo)信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

程榮濤1傅 軍2

(1.海軍駐武漢四三八廠軍事代表室 武漢 430060)(2.海軍工程大學(xué) 武漢 430033)

論文針對目前慣導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集電路的各個功能電路需要使用分立元件進行實現(xiàn),電路的體積通常都比較大,電路的期間和布線也比較多,不利于保證數(shù)據(jù)采集電路可靠性的現(xiàn)狀,基于CPLD和DSP構(gòu)建了小型嵌入式光纖陀螺數(shù)據(jù)測試系統(tǒng),應(yīng)用于某單軸旋轉(zhuǎn)光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中。通過實驗,驗證了論文構(gòu)建的數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)的有效性和準確性。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng); CPLD; DSP; 數(shù)據(jù)采集

Class Number TN929.3

1 引言

目前,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)采集電路的研究主要集中在應(yīng)用新型的數(shù)字信號處理芯片和儀表信號的誤差補償技術(shù)兩個領(lǐng)域[1]。

過去,慣導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集電路的各個功能電路需要使用分立元件進行實現(xiàn)[2],電路的體積通常都比較大,電路的期間和布線也比較多,不利于保證數(shù)據(jù)采集電路的可靠性。另外,個別功能電路設(shè)計的更改,需要整個電路的重新設(shè)計和制作,既增加了電路的研究成本,又浪費了研究人員寶貴的設(shè)計時間。本文將CPLD、DSP等器件應(yīng)用在慣導(dǎo)信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,取得了較好的效果。

2 陀螺儀和加速度計外圍電路設(shè)計

根據(jù)陀螺和加速度計數(shù)據(jù)采集和測試需求,將采集電路系統(tǒng)分為CPLD脈沖采集系統(tǒng)、DSP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、加速度計溫度AD采樣系統(tǒng)、上位機系統(tǒng)[3]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

光纖陀螺測量的角速度信息以角增量的形式輸出,信號根據(jù)內(nèi)部電路轉(zhuǎn)化為脈沖信號,而加速度計測量的加速度信息為電流輸出,屬于模擬量,因此需通過相應(yīng)的I/F轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號[4]。基于CPLD的邏輯電路可以實現(xiàn)對陀螺和加速度計脈沖信號的同時采集。光纖陀螺的溫度信號由內(nèi)置的溫度傳感器18B20輸出,數(shù)據(jù)為數(shù)字量,因此可用系統(tǒng)DSP芯片進行讀取。加速度計的溫度信號由內(nèi)置的溫度傳感器以電流形式輸出,因此需通過搭建外圍溫度采集電路實現(xiàn)信號的采集[5]。隨DSP含有A/D轉(zhuǎn)換接口,但其轉(zhuǎn)換精度有限,加速度計的溫度信號屬于微弱信號,因此構(gòu)建了基于Analog Device公司的AD7738芯片,實現(xiàn)溫度的A/D采樣。AD7738與DSP之間通過增強型串口實現(xiàn)通訊和采樣。DSP將采集的光纖陀螺和加速度計的信號輸出、溫度輸出信息通過通用串口形式與上位機通訊,上位機通過相應(yīng)的軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和存儲。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

光纖陀螺屬于中高精度慣性器件,因此對DSP的運算速度和精度要求較高,同時考慮到慣性器件的溫度敏感性,要求芯片具有較小的功耗。綜合上述因素以及微處理器的外圍擴展電路需求,選擇TI公司C2000系列的TMS320F28335芯片。該芯片具有150MHz的高速處理能力,32位浮點處理單元。與以往的定點DSP相比,該器件具有精度高,成本低,功耗小,性能高,外設(shè)集成度高,數(shù)據(jù)以及程序存儲量大等優(yōu)點。它采用內(nèi)部1.9V供電,外部3.3V供電,因而功耗大大降低[6]。

芯片具有88個可編程的復(fù)用GPIO引腳,完全滿足系統(tǒng)測試的接口需求。芯片具有3個32位的定時器,定時器0和定時器1用作一般的定時器,定時器0接到PIE模塊,定時器1接到中斷INTl3;定時器2用于DSP/BIOS的片上實時系統(tǒng),連接到中斷INTl4,能夠滿足系統(tǒng)和外設(shè)的時鐘需求。同時具有2通道CAN模塊、3通道SCI模塊、2個MCBSP(多通道緩沖串行接口)模塊、1個SPI模塊、1個主從兼容的串行總線接口模塊的串行外設(shè),為系統(tǒng)與外設(shè)提供了豐富的數(shù)據(jù)通訊模式[7]。

首先進行TMS320F28335的最小系統(tǒng)設(shè)計,判斷芯片各種功能是否滿足光纖陀螺IMU的測試需求。最小應(yīng)用系統(tǒng)包括復(fù)位電路,時鐘電路、電源及存儲器等。TMS320F28335具有片上Flash,0TPROM及SARAM存儲器,在設(shè)計最小應(yīng)用系統(tǒng)時無需考慮外部存儲器接口問題[8]。

1) 復(fù)位電路的設(shè)計

復(fù)位電路采用上電復(fù)位,由電源器件給出復(fù)位信號。電源上電后,系統(tǒng)便處于復(fù)位狀態(tài)。當XRS為低電平時,DSP復(fù)位。為使DSP初始化正確,應(yīng)保證XRS為低電平并至少保持三個CLKOUT周期。同時在上電后,該系統(tǒng)的晶體振蕩器一般需要100ms～200ms的穩(wěn)定期。所選的電源器件TPS73HD318加電,其輸出電壓緊隨輸入電壓,當輸出電壓達到啟動RESET的最小電壓時(溫度為25℃時,其電壓為1.5V),引腳RESET輸出低電平,并且至少保持200ms,從而滿足復(fù)位要求。

2) 時鐘電路的設(shè)計

將外部時鐘源直接輸入X2/CLKIN引腳,X1懸空,采用已封裝晶體振蕩器為系統(tǒng)提供時鐘。外部晶體的工作頻率為30MHz。TMS320F28335內(nèi)部具有一個可編程的鎖相環(huán),可根據(jù)所需系統(tǒng)時鐘頻率對其編程設(shè)置[9]。

3) JTAG仿真接口

TMS320F28335具有符合IEEEll49.1標準的片內(nèi)掃描仿真接口(JTAG),該接口通過仿真器直接訪問,為了能與仿真器通信,所設(shè)計的最小系統(tǒng)板上應(yīng)有14引腳的仿真接口,其中的EMU0和EMUl信號必須通過上拉電阻連接至電源,其中上拉電阻為4.7kΩ。

4) 供電電路

由TMS320F28335組成的應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)核電壓(1.9V)與I/O供電電壓(3.3V)不同,電源部分利用兩路輸出電源器件TPS73HD318來實現(xiàn),如圖2所示。在輸入端接入0.1μF的貼片電容,具有濾除噪聲,提高響應(yīng)速度。輸出端接入33μF的固體鉭電容接地,可有效保證滿載情況下的穩(wěn)定性[10]。TPS73HD318提供兩路電壓為1.9V和3.3V的輸出,給DSP系統(tǒng)供電。

CPLD芯片選用Altera公司的EPM1270芯片,其最小系統(tǒng)包含供電電路、復(fù)位電路,接口電路和時鐘電路。CPLD采用3.3V供電,同時在電源輸入端接入0.1μF的貼片電容濾波去噪。復(fù)位電路采用上電復(fù)位,由電源器件給出復(fù)位信號,同時在復(fù)位端接入一下拉電阻。為了能與仿真器通信并訪問CPLD內(nèi)存,系統(tǒng)應(yīng)具有10引腳的仿真接口,其中TMS和TDI信號通過10KΩ上拉電阻連接至電源。采用已封裝的30MHz晶體振蕩器為系統(tǒng)提供時鐘,將其直接輸入CPLD的CLKIN引腳。

圖2 DSP供電電路

EPM1270芯片內(nèi)部集成了1000個基本邏輯門,具有144個引腳,其中28個引腳為電源或編程引腳,其余116個引腳為可編程引腳。當需要增加新的邏輯功能時,只需改變片內(nèi)程序,而不必改動硬件電路。EPM1270芯片具有高速的邏輯處理能力,可基于Quartus軟件開發(fā)環(huán)境,使用VHDL語言可對CPLD內(nèi)部邏輯進行編程。以DSP的信號輸出為中斷源,通過對CPLD內(nèi)部電路進行邏輯設(shè)計對輸入的脈沖信號進行判斷計數(shù),將固定時間內(nèi)的脈沖信號數(shù)以數(shù)字信號的形式通過I/O發(fā)送到DSP,實現(xiàn)光纖陀螺IMU中脈沖信號的計數(shù)。

加速度計的I/F轉(zhuǎn)換電路采用航天科工慣性技術(shù)有限公司的加速度計專用I/F轉(zhuǎn)換電路板。該板采用5V電源供電,同時需接入±15V電源給加速度計供電。輸入信號為三個軸向加速度計的感應(yīng)的加速度電流信號,輸出為轉(zhuǎn)換后的脈沖信號。轉(zhuǎn)換結(jié)果包括6路脈沖,分別對應(yīng)三個軸向加速度計的正負方向加速度大小。

I/F轉(zhuǎn)換板的量程為±10mA,而加速度計的標度因數(shù)為1.6mA/g,I/F轉(zhuǎn)換板的最大輸出頻率為256KHz,由此可得到I/F轉(zhuǎn)換板的轉(zhuǎn)換加速度的最小分辨率為50。

加速度計的內(nèi)置溫度傳感器為模擬傳感器,其溫度信號以電流形式輸出,為此設(shè)計了相應(yīng)的溫度信號A/D轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)溫度信息的采集。AD7738的具有24位模數(shù)轉(zhuǎn)換精度,非線性度達到0.0015,最多支持8通道轉(zhuǎn)換,最高采樣速率為15KHz。同時,用戶可以通過需求自定義其輸入范圍以提高采樣分辨率。AD7738具有SPI、QSPI、MICROWIRE數(shù)據(jù)接口,可與DSP實時通訊?；诟呔瓤删幊痰腁/D轉(zhuǎn)換芯片AD7738構(gòu)建了加速度計溫度采樣電路,其管腳電路連接如圖3所示。

圖3 溫度信號A/D轉(zhuǎn)換電路

模擬和數(shù)字部分分開供電和接地,以減小電路間干擾。芯片通過MCLKIN和MCLKOUT與外部6.144M晶振連接為其通過主時鐘信號。AIN0-AIN7為8通道轉(zhuǎn)換的模擬信號輸入。芯片通過CS、SCLK、RDY、DIN、DOUT信號端與DSP通訊以實現(xiàn)溫度采集。其中,CS為片選信號,低電平有效,SCLK為DSP提供的時鐘信號,RDY信號為ADC完成數(shù)模轉(zhuǎn)換的邏輯輸出,DIN為DSP進行AD7738儲存器讀寫操作的輸入信號,而DOUT為溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果。通過DSP編程對其存儲器進行相應(yīng)的讀寫可完成多通道的連續(xù)數(shù)模轉(zhuǎn)換,其轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)讀寫時序如圖4所示。

圖4 溫度采集時序

5) 通訊電路

DSP完成數(shù)據(jù)采集后,將采集的陀螺和加速度計的數(shù)據(jù)以ASCII碼的形式通過RS-232串行接口發(fā)送到上位機中。上位機利用設(shè)計的數(shù)據(jù)采集軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、解碼和儲存等相關(guān)處理。

3 采集軟件設(shè)計與實現(xiàn)

DSP完成數(shù)據(jù)采集后,將采集的陀螺和加速度計的數(shù)據(jù)以ASCII碼的形式通過RS-232串行接口發(fā)送打數(shù)據(jù)采集計算機中。采集計算機基于LabVIEW的圖形化編程語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、解碼和儲存等相關(guān)處理。

上位機通過RS-232串行接口接收數(shù)據(jù)采集DSP發(fā)送的陀螺和加速度計數(shù)據(jù),基于LabVIEW的圖形化編程語言設(shè)計了光纖陀螺IMU數(shù)據(jù)測試軟件,界面如圖5所示,實現(xiàn)了光纖陀螺和加速度計的輸出信息、溫度信息的接收、解碼和存儲。

圖5 IMU測試系統(tǒng)軟件界面

數(shù)據(jù)采集DSP將采集的陀螺和加速度計數(shù)據(jù)通過一定的協(xié)議以ASCII碼的形式編碼、傳輸,上位機接收數(shù)據(jù)后根據(jù)通訊協(xié)議進行相應(yīng)解碼后存儲。IMU數(shù)據(jù)為變化量,因此得每次發(fā)送信息并不是固定字長,在LabVIEW中,進行串口讀寫控件均為固定字長的讀取,為了保證數(shù)據(jù)解碼的準確性和實時性,因根據(jù)接收的固定字長ASCII碼進行設(shè)計相應(yīng)的解碼算法。利用通過對數(shù)組進行字頭字符串和回車符索引實現(xiàn)了不固定字長數(shù)據(jù)的分條讀取和解碼。同時,數(shù)據(jù)在傳輸硬件通訊過程中,可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤碼現(xiàn)象,因此在進行串口讀取后,應(yīng)對數(shù)據(jù)傳輸進行誤碼檢測,剔除亂碼。

4 實驗測試

圖6 陀螺和加速度計輸出數(shù)據(jù)

基于上述最小系統(tǒng)和外圍電路的設(shè)計,構(gòu)建了小型嵌入式光纖陀螺數(shù)據(jù)測試系統(tǒng),應(yīng)用于某單軸旋轉(zhuǎn)光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中。系統(tǒng)電路板固定在旋轉(zhuǎn)軸上,三個軸向的光纖陀螺和加速度計的輸出和溫度信號通過系統(tǒng)電路板進行采集,測試數(shù)據(jù)通過RS-232接口與外部計算機通訊,從而實現(xiàn)了光纖陀螺IMU的信號和溫度信息的采集。陀螺和加速度計通電后,利用構(gòu)建的系統(tǒng)進行了IMU靜態(tài)條件下的多次測試試驗。測試時,IMU的Z軸陀螺軸向下,水平陀螺方位角任意,數(shù)據(jù)采集時間3.5小時,采樣間隔為0.01s。其中圖6為三軸陀螺和加速度計輸出進行1s平均的結(jié)果,圖7三軸陀螺和加速度計通電工作后的溫度變化。

圖7 光纖陀螺IMU溫度輸出

5 結(jié)語

在IMU通電工作后,其慣性器件溫度升高,其信號受溫度影響。利用多次測試數(shù)據(jù),扣除穩(wěn)定工作前數(shù)據(jù)、重力加速度和地球自轉(zhuǎn)分量,進行了陀螺和加速度計主要指數(shù)指標計算。計算結(jié)果與器件出產(chǎn)參數(shù)比較,器件精度處于一個數(shù)量級(陀螺和加速度計指標受逐次、逐日重復(fù)性的限制不可能完全相同),驗證了本文構(gòu)建的數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)的有效性和準確性。

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Design and Realization of Inertial Navigation Information Data Acquisition System

CHENG Rongtao1FU Jun2

(1. Navy Representative Office in Wuhan 438 Factory, Wuhan 430060) (2. Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

At present, each functional circuit of data acquisition system needs discrete components to realize its function circuits are usually bulky, and wiring and duration are much unhehp for maintaining the reliability of data acquisition circuit. Based on CPLD and DSP, a small embedded data test system based on fiber optic gyroscope is constructed, and applied in a single axis fiber optic gyroscope strapedown inertial navigation system. The experiment proves the effectiveness and accuracy of data testing system.

inertial navigation system, CPLD, DSP, data acquisition

2015年3月2日,

2015年4月27日

程榮濤,男,碩士,工程師,研究方向:導(dǎo)航系統(tǒng)工程。傅軍,男,博士,講師,研究方向:導(dǎo)航系統(tǒng)工程。

TN929.3

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.027