基于Linux的嵌入式光纖捷聯(lián)控制系統(tǒng)研究

摘 要： 針對(duì)光纖捷聯(lián)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理，結(jié)合慣導(dǎo)系統(tǒng)硬件平臺(tái)，對(duì)硬件電路板IMU數(shù)據(jù)采集板和旋變板進(jìn)行了設(shè)計(jì)；對(duì)ARM計(jì)算機(jī)控制板的硬件特性及外擴(kuò)資源進(jìn)行調(diào)試。實(shí)現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)到ARM計(jì)算機(jī)控制板的下載，在Linux系統(tǒng)下搭建了系統(tǒng)軟件平臺(tái)，編寫(xiě)了驅(qū)動(dòng)程序、標(biāo)定程序及尋北程序，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定、尋北和振動(dòng)試驗(yàn)及分析。

關(guān)鍵詞： 光纖捷聯(lián)系統(tǒng)； ARM9； Linux； 尋北

中圖分類(lèi)號(hào)： TN919?34； TP274+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）19?0102?05

Abstract： According to the realization principle of fiber optic strapdown computer control system， the IMU data acquisition board and rotated board of hardware circuit board were designed in combination with the hardware platform of inertial navigation system. The hardware characteristics and external expansion resources of ARM computer control board were debugged. The system can download the embedded system to ARM computer control board. The system software platform was established by means of Linux system. The driver， calibration procedure and north seeking procedure were compiled. The calibration， north seeking， vibration test and analysis for the system were carried out.

Keywords： fiber optic strapdown system； ARM9； Linux； north seeking

0 引 言

捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Strapdown Inertial Navigation System，SINS）是將慣性敏感元件剛性固定或“捷聯(lián)”在運(yùn)載體上，明顯地降低了平臺(tái)的機(jī)械復(fù)雜性，但是加重了計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)解算及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)娜蝿?wù)[1]。對(duì)SINS導(dǎo)航算法的研究是慣性導(dǎo)航領(lǐng)域的熱點(diǎn)，涌現(xiàn)出了一大批富有創(chuàng)造性的成果，而對(duì)SINS初始對(duì)準(zhǔn)技術(shù)、SINS誤差建模與抑制技術(shù)領(lǐng)域的研究也在國(guó)內(nèi)外逐步深入[2]。在長(zhǎng)期的連續(xù)工作中，由于加速度計(jì)和陀螺儀的測(cè)量誤差所引起的導(dǎo)航誤差是隨時(shí)間累加的，因此提高慣性?xún)x表的精度和采用高效的尋北對(duì)準(zhǔn)方法對(duì)于提高慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度是十分重要的[3]。

本文針對(duì)基于ARM9的光纖捷聯(lián)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)展開(kāi)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和軟件編程。硬件設(shè)計(jì)包括IMU數(shù)據(jù)采集板和旋變板的設(shè)計(jì)，軟件編程包括尋北、陀螺標(biāo)定和系統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)編程。

1 光纖捷聯(lián)系統(tǒng)尋北方案

在相同的硬件平臺(tái)和慣性器件資源條件下，尋北算法和陀螺信號(hào)去噪技術(shù)的選擇，可以在很大程度上提高系統(tǒng)尋北的精度和響應(yīng)的快速性[4]。按照基座的狀態(tài)劃分，尋北方法分為靜態(tài)尋北方法和動(dòng)態(tài)尋北方法，靜態(tài)尋北方法又分為多位置尋北和連續(xù)旋轉(zhuǎn)尋北。多位置尋北是一種技術(shù)相對(duì)成熟、應(yīng)用較為廣泛的傳統(tǒng)尋北方法，多位置尋北又可細(xì)分為二位置尋北法、四位置尋北法和多位置尋北法。連續(xù)旋轉(zhuǎn)尋北是一種比較新的尋北方法，可以實(shí)現(xiàn)高精度尋北。

在多位置尋北方案中，增加尋北位置的個(gè)數(shù)可以提高方位角的測(cè)量精度，但同時(shí)也增加了實(shí)現(xiàn)的難度、解算的復(fù)雜度和尋北需要的時(shí)間。二位置、四位置和多位置尋北方案均為通過(guò)采樣陀螺在幾個(gè)固定位置的輸出值解算方位角，這幾種方案的硬件構(gòu)成比較相似，即采用二位置尋北法的系統(tǒng)，也可以實(shí)現(xiàn)四位置或者多位置尋北，只需要改變尋北算法即可[5]。其中，四位置尋北解算得到的尋北結(jié)果采用加權(quán)平均的方法，能得到較高的尋北精度，因此在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。

2 光纖捷聯(lián)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件

光纖捷聯(lián)系統(tǒng)由機(jī)箱、三個(gè)陀螺、兩個(gè)加速度計(jì)、旋轉(zhuǎn)變壓器、轉(zhuǎn)位電機(jī)、IMU數(shù)據(jù)采集板、ARM計(jì)算機(jī)控制板、旋變板和兩個(gè)電源板組成[6]。其中，IMU數(shù)據(jù)采集板采用FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)陀螺、加速度計(jì)信號(hào)、里程計(jì)信號(hào)和溫度信號(hào)的采集，產(chǎn)生中斷信號(hào)和檢測(cè)故障信號(hào)；ARM計(jì)算機(jī)控制板實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制，裝載和運(yùn)行導(dǎo)航解算及與上位機(jī)通信等功能；旋變板主要對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

系統(tǒng)的工作模式分為尋北模式和導(dǎo)航模式。尋北模式中，[y]軸陀螺隨轉(zhuǎn)位電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，旋變板測(cè)量轉(zhuǎn)位電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度。導(dǎo)航模式下，ARM計(jì)算機(jī)控制板利用IMU數(shù)據(jù)采集板采集的陀螺、加速度計(jì)、里程計(jì)等信息采用四元數(shù)方法進(jìn)行姿態(tài)解算和航位推算，得到系統(tǒng)的姿態(tài)角、方位角、速度、位置等信息，并將定位信息通過(guò)串口傳輸給上位機(jī)。系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示。

2.1 IMU硬件設(shè)計(jì)及FPGA實(shí)現(xiàn)

IMU硬件電路板包括陀螺串口接收電路、加速度信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換電路、電壓轉(zhuǎn)換電路、接口電路、FPGA硬件功能設(shè)計(jì)模塊及JTAG接口電路等，共同完成陀螺、加速度計(jì)、里程計(jì)和溫度信號(hào)的采集，產(chǎn)生中斷信號(hào)及檢測(cè)故障信號(hào)的功能[7]。IMU數(shù)據(jù)采集板功能圖如圖3所示。

FPGA模塊實(shí)現(xiàn)的硬件功能為：對(duì)陀螺數(shù)字信號(hào)、里程計(jì)脈沖信號(hào)和溫度信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)加速度計(jì)的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并產(chǎn)生以2.5 ms為周期的硬件中斷信號(hào)等。采用QuartusⅡ7.2軟件，編程語(yǔ)言采用VHDL硬件描述語(yǔ)言。各硬件功能的具體實(shí)現(xiàn)如下：

（1） 陀螺數(shù)據(jù)采集的FPGA實(shí)現(xiàn)

陀螺輸出信號(hào)采用異步差分RS 422總線(xiàn)進(jìn)行通信，通信波特率為115 200 Kb/s，異步通信幀格式為一位起始位，八位數(shù)據(jù)位，一位偶校驗(yàn)位，一位停止位。對(duì)陀螺發(fā)送的數(shù)據(jù)采用偶校驗(yàn)，因此將數(shù)據(jù)位和偶校驗(yàn)位進(jìn)行異或，所得值為0。

（2） 加速度計(jì)及里程計(jì)數(shù)據(jù)采集的FPGA實(shí)現(xiàn)

加速度計(jì)數(shù)據(jù)采集：系統(tǒng)中有3個(gè)加速度計(jì)，通過(guò)3路A/D轉(zhuǎn)換器完成數(shù)據(jù)采集，在2.5 ms內(nèi)將數(shù)據(jù)累加起來(lái)。系統(tǒng)頻率為24 MHz，周期為41.67 ns。程序中采用count計(jì)數(shù)器信號(hào)，分別產(chǎn)生Convst，RD，CS信號(hào)。

里程計(jì)數(shù)據(jù)采集：需要將里程計(jì)的脈沖頻率與全局時(shí)鐘頻率同步，即在時(shí)鐘的上升沿檢測(cè)里程計(jì)狀態(tài)，為此時(shí)鐘的上升沿檢測(cè)里程計(jì)發(fā)出的脈沖狀態(tài)。當(dāng)上一個(gè)狀態(tài)為0，當(dāng)前的狀態(tài)為1時(shí)，才能對(duì)里程計(jì)信號(hào)進(jìn)行加1計(jì)數(shù)。當(dāng)lock_enable=′1′時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出里程計(jì)的數(shù)據(jù)。

（3） 中斷及鎖存、復(fù)位功能的FPGA實(shí)現(xiàn)及地址數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系

中斷及鎖存：中斷的功能是產(chǎn)生以2.5 ms為周期的interrupt信號(hào)，該信號(hào)的占空比為50%，lock_enable信號(hào)高電平寬度為1個(gè)clk。

復(fù)位：復(fù)位信號(hào)為resetA。由于[treset]最小為50 ns，所以程序中設(shè)置4個(gè)時(shí)鐘周期的高電平復(fù)位信號(hào)。

地址信號(hào)與數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系：通過(guò)譯碼電路對(duì)地址信號(hào)與數(shù)據(jù)進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)。

2.2 旋變控制板

旋變板硬件電路中主要有兩個(gè)16 b的粗級(jí)和精級(jí)旋變A/D轉(zhuǎn)換電路、地址緩沖電路及接口電路等。旋變板用于尋北時(shí)精確的測(cè)量陀螺敏感軸旋轉(zhuǎn)的角度。旋轉(zhuǎn)變壓器粗級(jí)和精級(jí)的變速比為1[∶]16。采用2片AD2S80A芯片，分別將粗級(jí)和精級(jí)的旋變信號(hào)轉(zhuǎn)換為16 b數(shù)字量，粗級(jí)和精級(jí)信號(hào)轉(zhuǎn)換并組合后的數(shù)字量具有20 b的分辨率。數(shù)字信號(hào)通過(guò)PC104總線(xiàn)傳輸給ARM計(jì)算機(jī)控制板并轉(zhuǎn)換為角度信息。

3 基于Linux的系統(tǒng)軟件平臺(tái)構(gòu)建及尋北軟件

實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)軟件平臺(tái)搭建

（1） 在PC宿主機(jī)上建立Linux操作環(huán)境。采用直接安裝Linux操作系統(tǒng)或者在Windows環(huán)境下安裝虛擬機(jī)，在虛擬機(jī)上運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)。本文采用后者。具體建立Linux環(huán)境略。

（2） 建立交叉編譯環(huán)境。

（3） 下載嵌入式Linux操作系統(tǒng)到ARM計(jì)算機(jī)控制板。下載并成功掛載FLASH后，就可以進(jìn)入FLASH目錄下進(jìn)行文件操作。

（4） 在PC機(jī)上安裝終端仿真器。終端仿真器用來(lái)實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與ARM計(jì)算機(jī)控制板之間的通信。

在PC機(jī)上編寫(xiě)尋北導(dǎo)航程序，交叉編譯后，傳輸?shù)紸RM計(jì)算機(jī)控制板中，調(diào)試運(yùn)行程序。

在PC機(jī)上面建立交叉編譯環(huán)境，配置arm?linux?gcc交叉編譯環(huán)境。

在PC機(jī)上安裝終端仿真器，進(jìn)行數(shù)據(jù)文件的傳輸。由于嵌入式Linux在裁剪內(nèi)核過(guò)程中已經(jīng)將串口傳輸功能去掉，所以需要用戶(hù)自己制作適合于ARM計(jì)算機(jī)控制板的串口傳輸工具，實(shí)現(xiàn)文件在PC機(jī)與ARM計(jì)算機(jī)控制板之間的傳輸。

編譯后，在src目錄下生成了具有執(zhí)行屬性的文件lrz和lsz（lrz用于文件接收，lsz用于文件發(fā)送），將其拷貝到根文件系統(tǒng)的bin目錄下，編譯根文件系統(tǒng)并通過(guò)網(wǎng)口傳輸?shù)介_(kāi)發(fā)板FLASH上，修改lrz和lsz的權(quán)限#chmod 777 lrz， #chmod 777 lrz。之后就可以利用lrz和lsz對(duì)文件進(jìn)行ARM計(jì)算機(jī)控制板與PC機(jī)之間的傳輸。

3.2 驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)

驅(qū)動(dòng)程序分為字符設(shè)備（c）驅(qū)動(dòng)、塊設(shè)備（b）驅(qū)動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)。編寫(xiě)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，首先定義設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)橛脩?hù)程序提供的功能；其次確定設(shè)備的主、次設(shè)備號(hào)。因?yàn)閷?duì)字符設(shè)備的訪(fǎng)問(wèn)是通過(guò)文件系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備名稱(chēng)進(jìn)行的，而設(shè)備名稱(chēng)與主次設(shè)備號(hào)存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。可以通過(guò)查詢(xún)/proc/device下的255個(gè)設(shè)備編號(hào)為要編寫(xiě)的驅(qū)動(dòng)程序確定一個(gè)未被占用的主設(shè)備號(hào)。

3.3 尋北軟件編寫(xiě)

尋北軟件由驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序組成。驅(qū)動(dòng)程序由陀螺、加速度計(jì)和里程計(jì)信號(hào)采集的驅(qū)動(dòng)程序，旋變信號(hào)采集的驅(qū)動(dòng)程序和中斷驅(qū)動(dòng)程序組成；應(yīng)用程序由初始化模塊、陀螺數(shù)據(jù)處理模塊、旋變數(shù)據(jù)處理模塊、電機(jī)控制模塊、數(shù)據(jù)解算模塊和數(shù)據(jù)保存模塊等組成。中斷驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閷け睉?yīng)用程序運(yùn)行提供時(shí)鐘源。

初始化模塊主要負(fù)責(zé)輸入當(dāng)?shù)氐乩砭暥戎导暗厍蜃赞D(zhuǎn)角速率值等；陀螺數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)將陀螺的32位有符號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為角速率信號(hào)；旋變數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)將旋轉(zhuǎn)變壓器的雙速16位數(shù)據(jù)拼成20位的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為角度值；電機(jī)控制模塊負(fù)責(zé)控制電機(jī)帶動(dòng)陀螺軸轉(zhuǎn)位；數(shù)據(jù)解算模塊將初始化數(shù)據(jù)和采集的陀螺、旋變數(shù)據(jù)進(jìn)行解算得到尋北值；保存模塊將尋北過(guò)程的數(shù)據(jù)及結(jié)果數(shù)據(jù)保存到文件。程序運(yùn)行結(jié)束后數(shù)據(jù)文件傳輸給上位機(jī)。尋北軟件的時(shí)序流程圖如圖4所示。

4 光纖捷聯(lián)系統(tǒng)試驗(yàn)

4.1 尋北試驗(yàn)

將系統(tǒng)固定在水平靜態(tài)基座上，將基座調(diào)平（精確到角秒）。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行三組尋北試驗(yàn)。在每組試驗(yàn)中，任取一個(gè)位置為起始尋北位置1，在位置1連續(xù)進(jìn)行三次重復(fù)尋北試驗(yàn)，基座轉(zhuǎn)動(dòng)45°（精確到角秒）到位置2，再在位置2進(jìn)行三次重復(fù)尋北試驗(yàn)，依次類(lèi)推，直到基座轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)周期后，重新回到位置1，記錄每次的尋北值。

一個(gè)周期共對(duì)八個(gè)位置進(jìn)行了九次試驗(yàn)，包括基座轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)周期后重新回到起始點(diǎn)的一次重復(fù)試驗(yàn)。數(shù)據(jù)處理時(shí)，計(jì)算每個(gè)位置尋北值的均值并計(jì)算把不同位置換算到同一位置的歸一角度值，由歸一角度值解算出一個(gè)周期內(nèi)尋北值的標(biāo)準(zhǔn)差。表1列舉其中一組尋北數(shù)據(jù)。

4.2 振動(dòng)試驗(yàn)

系統(tǒng)的振動(dòng)試驗(yàn)分為對(duì)水平軸陀螺的振動(dòng)試驗(yàn)和對(duì)豎直軸陀螺的振動(dòng)試驗(yàn)。對(duì)水平軸的陀螺施加的振動(dòng)為沿著陀螺軸向的水平方向的振動(dòng)，對(duì)垂直軸陀螺施加的振動(dòng)為上下方向的振動(dòng)。對(duì)每個(gè)軸的陀螺施加同樣的振動(dòng)試驗(yàn)又分為振動(dòng)臺(tái)與系統(tǒng)直接固連的情況和在振動(dòng)臺(tái)與系統(tǒng)之間加防震墊兩種情況。對(duì)陀螺數(shù)據(jù)的采集方法為：每2.5 ms采集一次陀螺數(shù)據(jù)，每秒鐘對(duì)陀螺數(shù)據(jù)進(jìn)行一次平滑，并保存平滑后的數(shù)據(jù)。以下振動(dòng)試驗(yàn)圖中紅、綠、藍(lán)線(xiàn)分別對(duì)應(yīng)[x，y，z]軸陀螺數(shù)據(jù)。

正弦掃描曲線(xiàn)：正弦峰值為[1.5g，]頻率為5～200 Hz。隨機(jī)振動(dòng)掃描：頻率范圍為20～2 000 Hz，其中20～80 Hz，3 dB/oct；80～350 Hz，0.003g2 /Hz；350～2 000 Hz， -3 dB/oct。其中：g=9.8 m/s2。

（1） 對(duì)不同軸施加振動(dòng)，對(duì)哪個(gè)陀螺軸施加振動(dòng)，則哪個(gè)軸向的陀螺輸出強(qiáng)度更大，其他軸向的陀螺輸出也受一定影響，陀螺輸出的角速率與施加的振動(dòng)強(qiáng)度正相關(guān)；

（2） 在振動(dòng)臺(tái)與系統(tǒng)之間加防震墊后，相同強(qiáng)度的振動(dòng)輸入，陀螺的輸出變化幅度減?。?/p>

（3） 由于[z]軸陀螺的漂移較大，所以[z]軸陀螺的角速率輸出較[x]軸和[y]軸陀螺角速率輸出幅值更大，且更不穩(wěn)定；

（4） 由于在整個(gè)振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中施加的加速度值是緩慢變化的，而陀螺輸出振幅驟升或驟減的頻率點(diǎn)為系統(tǒng)的固有頻率；

（5） 系統(tǒng)對(duì)特殊振動(dòng)環(huán)境具有一定程度的適應(yīng)性。

5 結(jié) 論

本文在嵌入式系統(tǒng)下對(duì)光纖捷聯(lián)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，完成了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件編程。對(duì)尋北方法做了深入的研究，在分析前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合系統(tǒng)特性提出了四位置尋北方案。搭建了系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。進(jìn)行了陀螺標(biāo)定、尋北試驗(yàn)和系統(tǒng)的振動(dòng)試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。由于嵌入式系統(tǒng)內(nèi)存空間有限，而導(dǎo)航程序占用更小的內(nèi)存空間，今后可對(duì)導(dǎo)航代碼做進(jìn)一步優(yōu)化。

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