GPS/INS組合導航評價系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集裝置設計

張海寧，羅繼先

（西安工業(yè)大學 電子信息工程學院，陜西 西安 710032）

隨著電子計算機技術特別是微機技術的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制系統(tǒng)理論向實際運用的推進，以及導航系統(tǒng)的種類越來越多，將多種導航技術組合形成的組合導航技術開始迅速發(fā)展起來。組合導航系統(tǒng)是將航行體上的的導航設備組合成為一個整體，利用兩種或兩種以上的設備提供多重導航信息，并采用相應的數(shù)據(jù)融合技術構成一個多功能、高精度的冗余系統(tǒng)。其中全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導航系統(tǒng)（INS）兩者組合的導航系統(tǒng)是組合導航技術發(fā)展的一個重要方向。國外早在上世紀九十年代前后已經(jīng)進行了相關的組合導航實驗研究，并推廣應用，目前美國絕大多數(shù)飛行器已經(jīng)淘汰了單一GPS導航，采用深組合技術。而我國的北斗系統(tǒng)與INS的組合也是發(fā)展趨勢，具有完全的自主性和重要的現(xiàn)實意義。

在組合導航技術快速發(fā)展的背景下，如何確保導航設備能夠安全、可靠地運行，并實時監(jiān)測導航設備的導航性能，成為一個至關重要的問題?？紤]如上問題，文中介紹了基于LPC2292的組合導航評價驗證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集裝置設計，該裝置能夠采集、處理各種導航設備信息，并通過串口傳輸?shù)缴衔粰C，從而建立一個安全可靠，能夠準確反應導航過程中的各項參數(shù)并進行校準，完成導航評價的監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設計

該評價驗證系統(tǒng)將檢測到的導航數(shù)據(jù)通過串口傳送至處理器LPC2292進行預處理，并提取有效數(shù)據(jù)，然后將所有有效數(shù)據(jù)傳送至PC機，由上位機通過軟件對采集到的所有數(shù)據(jù)進行解析、處理。系統(tǒng)將GPS的導航數(shù)據(jù)作為真值，被測設備的導航數(shù)據(jù)作為測量值，進行對比驗證，計算兩者的誤差，同時研究慣性導航組件的輸出特性，從而給出已有系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性。

組合導航評價系統(tǒng)主要由PC機評價驗證系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、GPS導航、慣性導航設備、被測設備等組成。其組成框圖如圖1所示。

1）導航設備:提供3類導航信息：GPS導航信息（GPS定位、定向信息）、慣性導航信息（航向角、姿態(tài)、角速度、加速度等）、被測設備信息。其中，數(shù)字信號包括GPS信號，尋北信號、光纖陀螺信號、被測設備信號；模擬信號包括加速度計的電流信號，4～20 mA，傾角傳感器的電壓信號，-5～5 V。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of system

2）數(shù)據(jù)采集裝置:由于各種導航設備具有不同的接口和協(xié)議，所以數(shù)據(jù)采集裝置完成多種接口的數(shù)據(jù)采集、協(xié)議轉換、數(shù)據(jù)預處理等，將數(shù)據(jù)組幀通過串口傳輸?shù)皆u價驗證計算機（簡稱上位機）。

3）PC機評價驗證系統(tǒng)：提供良好的人機界面，將接收來自數(shù)據(jù)采集裝置（簡稱下位機）傳輸來的數(shù)據(jù)進行解析、后處理，并完成評價驗證，最后建立相應的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)的硬件設計包括：數(shù)據(jù)采集裝置硬件設計與上位機評價驗證系統(tǒng)硬件設計。上位機評價驗證系統(tǒng)硬件只需一臺可以通過串口接收數(shù)據(jù)的高配置PC機即可，所以本文的重點是數(shù)據(jù)采集裝置的硬件設計。

數(shù)據(jù)采集裝置的硬件組成分為4個單元：核心處理單元、串口擴展單元、A/D轉換單元、電源電路。硬件組成結構圖如圖2所示。

圖2 硬件組成結構圖Fig.2 Block diagram of hardware

2.1 核心處理單元

核心處理單元包括：ARM7處理器LPC2292及外圍電路。LPC2292微控制器是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU。片內(nèi)資源具有6 kB片內(nèi)靜態(tài)RAM和256 kB片內(nèi)Flash程序存儲器，2/4（LPC2292/LPC2294）個互連的 CAN接口，帶有先進的驗收濾波器；多個串行接口，包括 2個 UART（16C550）、高速I2C 接口（400 kbit/s）和2 個 SPI接口；8路10位 A/D轉換器，轉換時間低至 2.44 μs；多達 112個通用 I/O口（可承受 5 V電壓）；多達 9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷引腳；片內(nèi)晶振頻率范圍：1～30 MHz。

2.2 串口擴展單元

通過對本數(shù)據(jù)采集裝置進行接口分析發(fā)現(xiàn)，該裝置需要完成多種接口的數(shù)據(jù)采集，其中包括數(shù)字量和模擬量，由于LPC2292只有2個串口，串口資源有限，考慮到系統(tǒng)的可靠性，采用總線方式擴展串口。目前比較通用的串口擴展方案有兩種：軟件實現(xiàn)和硬件實現(xiàn)。其中，軟件實現(xiàn)是利用GPIO口軟件模擬串口時序，但這種方法的不足在于采樣次數(shù)低，占用大量的CPU時間，而且軟件模擬一般不能實現(xiàn)高于4 800 bps的波特率，從而導致通信的實時性和可靠性很差；另一種方法是硬件實現(xiàn)：通常使用專用串口擴展芯片。目前市場上有很多種串口擴展芯片比較常用的是GM8123/25系列串口擴展芯片，該芯片有單通道和多通道兩種模式，可以由一個母串口擴展最多5個串口，但是缺點在于：單通道模式不能滿足串口數(shù)量要求，而多通道模式下，子串口工作波特率只能設置成統(tǒng)一值，不適用于各個串口工作不一致、又要求同時工作的系統(tǒng)。本文選用的TL16C554專用串口擴展芯片能避免上述不足，并有效解決了串口資源短缺的問題。TL16C554是一種具有串行異步通信接口的大規(guī)模集成電路芯片，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串/并、并/串轉換功能。TL16C554內(nèi)部包含了4個可獨立操作的可編程異步收發(fā)單元16C550，它們共用了數(shù)據(jù)線D7～D0、內(nèi)部寄存器地址線A2～A0、讀寫信號線IOR和IOW、DMA讀寫控制TXRDY和RXRDY、復位RESET、時鐘XTL1和XTL2。每個收發(fā)單元都有自己的片選信號CS、中斷請求INT、數(shù)據(jù)輸出TX、數(shù)據(jù)輸入RX等。一片TL16C554，可以擴展4個RS232口。采用2片TL16C554，可以擴展8個RS232，再加上LPC2292的2個UART，共10個RS232，可以滿足本設計的需要。

設計中TL16C554數(shù)據(jù)線D7～D0接LPC2292的數(shù)據(jù)線，地址線A2～A0亦直接相接，采用74HC138譯碼器的8路輸出作為兩片TL16C554的端口片選信號，擴展電路如圖3所示。

為了有效采集不同接口的導航數(shù)據(jù)，通過兩片TL16C554擴展出8個串口，當某個串口中有數(shù)據(jù)輸入時，會存入接收緩沖區(qū)，從而產(chǎn)生接收中斷。基于能夠使每個串口都響應中斷這個目的，需要將每個芯片的INT腳相或，再和RXRDY信號相與，以確認是否是外部輸入請求而導致的中斷，排除異常中斷的干擾。最終將兩部分的信號相或，使得任一片芯片的任意端口都能產(chǎn)生中斷，并能快速判斷中斷源，從而對中斷請求作出處理，中斷電路設計如圖4所示。

2.3 A/D轉換單元

核心處理器LPC2292本身帶8路10位A/D轉換器，考慮到精度問題，不考慮用內(nèi)部A/D，而采用精度更高的外部A/D轉換器。文中根據(jù)設計需要選用ADS7841轉換芯片，ADS7841芯片是一個具有4通道、12位采樣率的模數(shù)轉換器。該芯片最多可輸入4路模擬信號，4通道單端或2通道差分輸入，8/12位串行輸出，其最高采樣頻率為200 kHz，單電源2.7～5 V。

圖3 串口擴展電路圖Fig.3 Serial port expansion circuit

圖4 中斷電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of interrupt circuit

在導航設備中加速度計和傾角傳感器輸出的是模擬量，其中加速度計輸出的是模擬電流量，所以需要通過電流采樣進行I/V轉換，將電流轉換為電壓后才能夠A/D轉換，I/V轉換電路圖如圖5所示。在電路圖中，4～20 mA變送信號經(jīng)過150 Ω的采樣電阻轉換為0.6～3 V電壓，之后經(jīng)過偏置電路、同相比例放大電路和電壓跟隨器的作用，得到相應2.7～5 V范圍內(nèi)的電壓信號，然后將轉換后的電壓信號AD1送入A/D轉換器進行處理。

圖5 I/V轉換電路圖Fig.5 I/V conversion circuit

其中，傾角傳感器輸出的是模擬電壓信號：-5～5 V，而ADS7841芯片的工作電源范圍為2.7～5 V，因此也需要經(jīng)過相應的調理電路將輸入的模擬電壓信號進行電壓偏移。-5～5 V范圍的輸入電壓信號經(jīng)過電阻分壓、運算放大和比較器處理，得到所需范圍的電壓信號，電壓調理電路如圖6所示。

導航設備的模擬信號經(jīng)過相應的調理電路后送入ADS7841芯片進行A/D轉換，A/D轉換電路圖如圖7所示。

圖6 電壓調理電路圖Fig.6 Voltage conditioning circuit

圖7 A/D轉換電路圖Fig.7 A/D conversion circuit

其中，CH0、CH1、CH2、CH3引腳為模擬輸入通道，COM引腳為模擬輸入接地參考；當SHDN為地時，芯片進入低電壓關閉狀態(tài)；MODE引腳設置轉換模式，當為低電平時，芯片進行12位轉換；DCLK為外部時鐘輸入接口，連接至處理器P0.20引腳；DIN引腳為串行數(shù)據(jù)輸入，連接至處理器P0.19引腳，當片選信號為低時，SCLK上升沿鎖存；DOUT引腳為串行數(shù)據(jù)輸出，連接至處理器P0.18引腳，當片選信號為低時，SCLK下降沿輸出。 模擬信號AD0、AD1、 AD2、AD3通過CH0、CH1、CH2、CH3四通道進入A/D轉換器內(nèi)，經(jīng)A/D轉換后通過DOUT引腳串行輸出送入微處理器LPC2292做進一步處理。

2.4 電源電路

電源部分采用外置電源模塊將24 V直流電經(jīng)過DC-DC轉化為12 V直流電輸出。再采用LM2575將12 V電壓轉化為5 V電壓輸出，由于ARM7 IO口電壓是3.3 V，內(nèi)核電壓是1.8 V，故采用ASM1117-3.3將5 V電壓轉化為3.3 V輸出，ASM1117-1.8 V將3.3 V電壓轉化為1.8 V。

3 實驗結果

文中數(shù)據(jù)采集裝置軟件采用嵌入式C語言設計，開發(fā)環(huán)境采用ADS1.2，主要完成數(shù)據(jù)采集裝置完成多種接口的數(shù)據(jù)采集、協(xié)議轉換、數(shù)據(jù)預處理等，將數(shù)據(jù)組幀通過串口傳輸?shù)皆u價驗證計算機。利用VC++設計評價驗證計算機的軟件平臺，實現(xiàn)良好的人機交互界面，并完成組合導航評價驗證功能。通過進行汽車實驗，能夠實現(xiàn)對導航設備的數(shù)據(jù)采集、傳輸、解析和處理，通過對GPS真值和被測設備測量值的對比驗證，計算兩者的誤差，并輔以慣導的導航數(shù)據(jù)，完成了對組合導航系統(tǒng)的實時監(jiān)測和性能評價，取得了很好的應用效果，系統(tǒng)運行結果如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)運行結果圖Fig.8 Running result diagram of system

4 結束語

現(xiàn)代導航技術是一項集合了多學科的綜合技術，其中主要包括精密機械、微電子、計算機技術、無線電技術、自動控制、光學等?，F(xiàn)代組合導航系統(tǒng)克服了單一導航設備抗干擾性能差和自身誤差累積等缺點，取長補短，既能依靠慣導設備提高抗干擾能力，增強隱蔽性和自主性，同時可以利用GPS提供精確的導航定位定向信息實時修正導航誤差。在組合導航系統(tǒng)中，需要確保其快速、準確、可靠、持久地運行，因此組合導航評價驗證系統(tǒng)應運而生。

本文設計了組合導航評價驗證系統(tǒng)，以ARM7 LPC2292處理器為核心，通過TL16C554串口擴展芯片完成串口擴展，實現(xiàn)對不同導航參數(shù)的采集和控制傳輸。數(shù)據(jù)采集裝置能夠采集GPS信息、慣性組件信息、被測導航設備信息，經(jīng)過協(xié)議轉換、數(shù)據(jù)預處理等并傳輸?shù)綄Ш皆u價驗證計算機。導航評價驗證計算機提供良好的人機界面，將接收到的數(shù)據(jù)采集裝置傳輸來的數(shù)據(jù)進行解析、后處理，進行評價驗證，并建立相應的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，完成了對組合導航準確性和精確度的評價。

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