基于FPGA的數(shù)字高度計(jì)開(kāi)發(fā)*

韓 璐，宗 群

(天津大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072)

基于FPGA的數(shù)字高度計(jì)開(kāi)發(fā)*

韓 璐，宗 群

(天津大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072)

針對(duì)聲納高度計(jì)、全球定位系統(tǒng)(GPS)和氣壓高度計(jì)的高度定位應(yīng)用，開(kāi)發(fā)了一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的數(shù)字高度計(jì)，具有成本低、速度快、功耗小的特點(diǎn)。FPGA完成聲納高度計(jì)、GPS和氣壓高度計(jì)的數(shù)據(jù)采集，高度信息處理，氣壓高度計(jì)溫度補(bǔ)償及串口輸出等工作。對(duì)高度計(jì)的誤差來(lái)源進(jìn)行分析，重點(diǎn)對(duì)氣壓高度計(jì)的溫度漂移現(xiàn)象進(jìn)行了補(bǔ)償修正。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果，對(duì)數(shù)字高度計(jì)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：高度計(jì)在進(jìn)行誤差補(bǔ)償后，在低空范圍內(nèi)誤差為0.1 m左右，高空范圍內(nèi)誤差為2～3 m，可用于普通導(dǎo)航領(lǐng)域。

聲納高度計(jì)；氣壓高度計(jì)；全球定位系統(tǒng)；溫度補(bǔ)償；現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列

0 引 言

隨著科技的迅速發(fā)展和社會(huì)的需要，高度計(jì)的使用越來(lái)越廣泛，出現(xiàn)了全球定位系統(tǒng)(GPS)高度計(jì)、氣壓高度計(jì)等。高度計(jì)作為飛行器中重要的傳感器,對(duì)飛行器的飛行安全和控制具有十分關(guān)鍵的作用[1]。傳統(tǒng)的高度計(jì)如GPS高度計(jì)等因?yàn)樽陨淼南拗疲谟姓系K物或者天氣變化劇烈的情況下難以滿足飛行器的要求，而傳統(tǒng)的氣壓高度計(jì)因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，測(cè)量精度低，功耗大[2]，也難以滿足飛行器的要求。因此，設(shè)計(jì)穩(wěn)定性好、適應(yīng)性強(qiáng)的數(shù)字高度計(jì)變得十分迫切。

本文開(kāi)發(fā)了一種新型的數(shù)字高度計(jì)，具有高精度、性能穩(wěn)定、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，數(shù)字高度計(jì)主要由高度傳感器模塊，微處理器模塊，顯示與輸出模塊和電源模塊4個(gè)部分組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Structure block diagram of system

傳感器模塊輸出當(dāng)前的衛(wèi)星測(cè)量高度信息，氣壓測(cè)量高度信息以及聲納測(cè)量高度信息；電源模塊用于提供整個(gè)系統(tǒng)的供電；顯示輸出模塊能夠?qū)崟r(shí)顯示當(dāng)前的高度信息和完成對(duì)數(shù)據(jù)的串口輸出；微處理器FPGA完成對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集處理，并輸出顯示。

1.2 傳感器模塊

傳感器模塊由氣壓高度計(jì)、聲納高度計(jì)、GPS組成。

氣壓高度計(jì)是基于大氣壓與高度之間的關(guān)系的原理來(lái)測(cè)量高度的，選用芬蘭VTI公司的SCP1000—D01數(shù)字式壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量。SCP1000—D01的分辨率可達(dá)亞米級(jí)別，測(cè)量誤差能夠在1 m左右。其輸出接口為SPI接口，芯片在內(nèi)部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下工作,無(wú)需外接時(shí)鐘[3]。本設(shè)計(jì)中SCP1000—D01芯片選取在高速測(cè)量模式下工作,其輸出數(shù)據(jù)更新率可以達(dá)到9 Hz。

聲納高度計(jì)選用國(guó)外進(jìn)口原裝的SRF08，其測(cè)量范圍為3～6 m，測(cè)量精度為1 cm，具有使用方便、精度高的優(yōu)點(diǎn)。SRF08供電電壓為5 V，正常工作時(shí)典型功耗為150 mW；其輸出數(shù)據(jù)為數(shù)字量，通過(guò)I2C總線接口與處理器FPGA進(jìn)行通信。

GPS選用芬蘭Fastrax公司的UP500GPS接收機(jī)模塊。UP500是Fastrax公司的一種主流產(chǎn)品，UP500信息默認(rèn)更新率為1 Hz，定位精度為1.8 m，速度精度為0.1 m/s。UP500是一種性價(jià)比極高的功耗低、精度高、安裝方便的OEM GPS接收機(jī)。

1.3 微處理器

采用FPGA作為微處理器，芯片選用Altera公司Cyclone系列的EP1C3T144C8，該芯片具有2 910個(gè)邏輯單元，能夠滿足開(kāi)發(fā)的組合高度計(jì)的變成需要。FPGA通過(guò)SPI，I2C與RS—232總線接口采集傳感器的數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，再將數(shù)據(jù)進(jìn)行FIFO緩存，最后計(jì)算得到高度信息并且將高度信息顯示到LED四段數(shù)碼管上。

1.4 顯示輸出模塊

該模塊包括LED四段數(shù)碼管顯示和串口輸出。采用數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的高度信息，顯示范圍為0～999 m。串口輸出部分將采集得到的傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳到PC上，便于數(shù)字高度計(jì)的測(cè)試和校正工作。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 氣壓高度計(jì)測(cè)量原理

氣壓高度計(jì)是根據(jù)大氣壓強(qiáng)隨高度變化而變化的原理而制成的。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣，可以建立在-2 000～11 000 m高度范圍內(nèi)海拔高度和對(duì)應(yīng)高度上大氣壓強(qiáng)pH之間的關(guān)系[3],具體如下

(1)

式中R=287.052 87 m2/(K·s2)，為空氣專用氣體常數(shù)；gn=9.806 65 m·s-2，為自由落體重力加速度；β為溫度垂直變化率(β=dT/dH)；T0,H0和p0為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣給出的高度分層中相應(yīng)層的大氣溫度、標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度和大氣壓力的下限值[4]。

在0～999 m的范圍內(nèi)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大氣規(guī)定可以取相關(guān)參數(shù):T0=288.15 K，β=-6.50 K·km-1，p0=101.325 Pa,H0=0,帶入公式(1)，可以得到該高度范圍內(nèi)的氣壓高度公式為

(2)

在理想大氣條件下，得到的高度基本等于真實(shí)高度[5]。但是在實(shí)際的大氣條件下，載體所處的位置很難符合標(biāo)準(zhǔn)大氣的各項(xiàng)要求，因此,需要進(jìn)行氣壓高度計(jì)的溫度補(bǔ)償。本文采用利用已知高度點(diǎn)溫度、壓力數(shù)據(jù)對(duì)待測(cè)的氣壓高度計(jì)的測(cè)量值進(jìn)行修正,這樣能夠部分消除外界條件造成的誤差[6],所得高度和實(shí)際高度更加相近。

本文使用的基于已知點(diǎn)高度的溫度補(bǔ)償算法如下：

(3)

同時(shí),可由式(1)得到

(4)

又因M,N點(diǎn)的溫度關(guān)系滿足

T0=Tm-βHm=Tn-βHn.

(5)

將式(5)帶入式(4)，可得

(6)

2.2 聲納高度計(jì)測(cè)量原理

聲納是根據(jù)聲波的傳播來(lái)測(cè)量距離，高度計(jì)中只做短距離低空測(cè)量[8]。實(shí)際應(yīng)用中，在無(wú)人機(jī)等起飛過(guò)程中需要高精度的高度測(cè)量，使用聲納在起飛短距離階段具有良好的效果。

2.3 各模塊數(shù)據(jù)采集

1)聲納高度計(jì)數(shù)據(jù)采集

聲納高度計(jì)的輸出接口是標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口，對(duì)于FPGA中I2C總線的實(shí)現(xiàn)，具體采用狀態(tài)機(jī)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。狀態(tài)機(jī)就是把程序分成很多個(gè)狀態(tài)，每一個(gè)狀態(tài)的執(zhí)行要看上一個(gè)狀態(tài)的執(zhí)行結(jié)果和輸入信號(hào)。

FPGA主機(jī)通過(guò)I2C總線從聲納高度計(jì)讀取數(shù)據(jù)的步驟如下：FPGA首先向從機(jī)發(fā)送器件地址(SRF08地址為0XE0),在得到器件的應(yīng)答后，F(xiàn)PGA繼續(xù)向從機(jī)發(fā)送控制字，使從機(jī)開(kāi)始工作，然后再向從機(jī)發(fā)送器件地址和寄存器地址，從而該寄存器里讀取傳感器數(shù)據(jù)。

2)GPS數(shù)據(jù)采集

GPS接收機(jī)UP500的輸出為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RS—232串口與FPGA進(jìn)行通信。UP500上電后，必須進(jìn)行初始化，包括設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)更新頻率和數(shù)據(jù)輸出格式等；模塊初始化完成后，F(xiàn)PGA就可以通過(guò)串口提取UP500模塊的數(shù)據(jù)，UP500的數(shù)據(jù)格式默認(rèn)為NMEA0183格式，為了得到正確的高度信息參數(shù)，處理器還需要對(duì)該格式進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，提取出高度信息。

3)氣壓高度計(jì)數(shù)據(jù)采集

氣壓高度計(jì)SCP1000—D01的輸出接口為SPI接口。SCP1000—D01剛上電后的60 ms之內(nèi)，不能對(duì)傳感器進(jìn)行讀取操作，因?yàn)閭鞲衅鞅旧硇枰獙?duì)自身進(jìn)行初始配置完成線性化和狀態(tài)檢測(cè)。SCP1000—D01有4種工作模式，本系統(tǒng)選擇高精度測(cè)量模式[9]。上電初始化完成以后，F(xiàn)PGA對(duì)控制寄存器發(fā)送控制字選擇測(cè)量模式，然后開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器地址，完成對(duì)氣壓高度計(jì)數(shù)據(jù)的讀取。

2.4 軟件主流程

無(wú)人直升機(jī)在起飛、降落以及低空飛行時(shí)，要求高精度的距離信息，而GPS/氣壓高度計(jì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的高度信息精度一般在m級(jí)，無(wú)法滿足要求。本設(shè)計(jì)中，在低空范圍內(nèi)，系統(tǒng)識(shí)別后采用聲納高度計(jì)的高度信息作為唯一的高度輸出，用來(lái)測(cè)量與地面的距離信息。由于GPS接收機(jī)的信號(hào)被遮擋后容易丟失，在GPS無(wú)效的短暫時(shí)間內(nèi)，加入了氣壓高度計(jì)傳感器，它可以為直升機(jī)提供GPS無(wú)效階段期間的高度信息。聲納高度計(jì)測(cè)量范圍是有限的，超出其測(cè)量范圍會(huì)輸出一個(gè)固定值FFFF，因此,可以通過(guò)判斷聲納輸出值是否有效來(lái)判斷何時(shí)使用該信息，而GPS輸出無(wú)效時(shí)輸出為一重復(fù)錯(cuò)誤值，可通過(guò)與氣壓高度計(jì)的值重復(fù)比較來(lái)判斷其是否失效。組合數(shù)字高度計(jì)的高度信息顯示如圖2所示。

圖2 數(shù)字高度計(jì)高度信息顯示Fig 2 Digital altimeter height information display

在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，F(xiàn)PGA的設(shè)計(jì)采用VHDL硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行軟件編程。FPGA數(shù)據(jù)處理單元是整個(gè)組合數(shù)字高度計(jì)的運(yùn)算核心部分，它包括3個(gè)功能模塊，即串口連接模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊。

串口控制模塊主要實(shí)現(xiàn)FPGA和控制端口的連接，模塊通過(guò)設(shè)置內(nèi)部工作寄存器來(lái)控制它的工作狀態(tài)。

數(shù)據(jù)處理模塊主要分為模式切換和數(shù)據(jù)處理部分。模式切換主要應(yīng)對(duì)在不同高度和不同狀況下，各高度傳感器的工作狀態(tài)和工作方式，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)在各種情況下均能有效輸出高度信息的目的。數(shù)據(jù)處理主要是利用FPGA的數(shù)據(jù)處理能力對(duì)得到的傳感器信息進(jìn)行數(shù)據(jù)信息處理，去除冗余信息，得到所需要的準(zhǔn)確的高度信息。

顯示模塊主要完成高度信息的實(shí)時(shí)顯示。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的有效性，按照設(shè)計(jì)的流程制作出了實(shí)物系統(tǒng)，并進(jìn)行了測(cè)試。選取實(shí)驗(yàn)室樓作為數(shù)字高度計(jì)測(cè)量的對(duì)象，實(shí)驗(yàn)室樓每一層的高度大約為3.8～4 m。測(cè)量距離從實(shí)驗(yàn)樓3～6樓的高度,測(cè)得的結(jié)果如圖3。

圖3 測(cè)高與時(shí)間曲線Fig 3 Height measurement vs times curve

可以知道，在室內(nèi)情況下，GPS是無(wú)法工作的，根據(jù)設(shè)計(jì)流程，此時(shí)主要以氣壓高度計(jì)工作為主，從圖3的結(jié)果可以看出:在第三層樓的海拔是13.2 m，第六層為25 m，三層樓高11.8 m，與三層樓高相吻合，從圖上也可以看出每一層樓的高度也基本是相同的。

而從圖4可以看出:在室外情況下GPS能夠正常工作，此時(shí)氣壓高度計(jì)被屏蔽掉，對(duì)某一地點(diǎn)采取重復(fù)測(cè)量的方式求取誤差，可以看出：GPS的誤差在2 m左右，最高不超過(guò)4 m。

圖4 GPS測(cè)高誤差Fig 4 GPS height measurement error

對(duì)于聲納高度計(jì)來(lái)說(shuō)，其主要針對(duì)超低空情況下飛行器起飛情況，因此，可以單獨(dú)測(cè)量得到精度信息。經(jīng)測(cè)試，聲納高度計(jì)的分辨率為1 cm，當(dāng)其位置變化1 cm時(shí)，傳感器數(shù)據(jù)會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，而當(dāng)小于1 cm時(shí)，數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)中，采用精密的標(biāo)尺，每變化1 cm，聲納高度計(jì)的輸出也為1 cm，其誤差很小，幾乎為0。

4 結(jié) 論

本文開(kāi)發(fā)了一種基于FPGA的數(shù)字高度計(jì)，并從器件選擇、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)上進(jìn)行了詳細(xì)的闡述和研究。為了驗(yàn)證開(kāi)發(fā)方案的可行性，對(duì)數(shù)字高度計(jì)實(shí)物進(jìn)行了測(cè)試。初步試驗(yàn)結(jié)果表明:數(shù)字高度計(jì)開(kāi)發(fā)方案是可行的，且經(jīng)過(guò)氣壓高度計(jì)溫度補(bǔ)償后數(shù)字高度計(jì)的誤差可達(dá)到3 m以內(nèi)，在室內(nèi)和室外條件下均可以使用，實(shí)現(xiàn)了可靠性強(qiáng)、性能穩(wěn)定、高精度的數(shù)字高度計(jì)設(shè)計(jì)。

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Development of digital altimeter based on FPGA*

HAN Lu，ZONG Qun

(School of Electrical and Automation Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Aiming at height location application of sonar altimeter,GPS and barometric altimeter,a kind of digital altimeter based on FPGA is developed,which has advantage of low cost,fast speed,low power consumption.FPGA is responsible for completion of sonar altimeter,GPS and barometric altimeter data acquisition,height information processing,barometric altimeter temperature compensation,and serial port output.After analyzing barometric altimeter error sources,compensation and correction of temperature drift of barometric altimeter are emphasized on. In order to verify design effect,the digital altimeter is tested,and test results show that the precision of digital altimeter in a low range can reach 0.1 m or so,for high altitude range error is 2～3 m after error compensation,which can be used for general navigation field.

sonar altimeter; barometric altimeter; GPS；temperature compensation；FPGA

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0080—03

2014—03—12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(91016018)；天津市基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(11JCZDJC25100)

TP 274

A

1000—9787(2014)10—0080—03

韓 璐(1991-)，男，安徽阜陽(yáng)人，碩士研究生，從事組合導(dǎo)航研究工作。