POS系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲電路的設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要： 針對POS系統(tǒng)對存儲電路的特殊要求，以高性能32位ARM內(nèi)核微處理器STM32作為核心控制器，高速大容量SD卡作為存儲介質(zhì)，利用CAN，RS 422，RS 232等多種外部通信接口，設(shè)計一種能夠?qū)崟r記錄POS系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，最終實現(xiàn)了對IMU原始數(shù)據(jù)、GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)和POS實時導(dǎo)航數(shù)據(jù)的透明存儲。

關(guān)鍵詞： POS； STM32； SD卡； 串行通信； 數(shù)據(jù)存儲

中圖分類號： TN710?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）10?0109?04

Design and implementation of data memory circuit in POS

SU Kun， ZHU Zhuangsheng

（Beijing University of Aeronautics and Astronautics， Beijing 100191， China）

Abstract： In order to meet the special requirement of memory circuit in POS （position and orientation system）， a data storage system was designed， which can record the POS working data and working condition in real time. It takes high?performance 32?bit ARM core?microprocessor STM32 as the core controller， high?speed and large?capacity SD card as the storage medium， and CAN， RS422 and RS232 as the external communication interfaces. The circuit can realize the transparent storage of IMU raw data， GPS navigation data and POS real?time navigation data.

Keywords： POS； STM32； SD card； serial communication； data storage

0 引 言

高精度位置姿態(tài)測量系統(tǒng)（Position and Orientation System，POS）由慣性測量單元（IMU）、全球定位系統(tǒng)（Global Position System，GPS）和POS計算機（POS Computer System，PCS）以及后處理軟件組成[1]。POS既是航空對地觀測系統(tǒng)完成軍事偵察、軍事測繪等任務(wù)必不可少的關(guān)鍵裝備，也是解決人類面臨的資源緊缺、環(huán)境惡化、災(zāi)害頻發(fā)等一系列重大問題的現(xiàn)代戰(zhàn)略高技術(shù)手段[2]。利用IMU原始數(shù)據(jù)和GPS原始數(shù)據(jù)進行POS系統(tǒng)后處理是提升整個系統(tǒng)輸出精度的關(guān)鍵手段，也是各類載荷高精度位置姿態(tài)的可靠基準(zhǔn)[3]，而數(shù)據(jù)存儲單元是POS系統(tǒng)后處理的數(shù)據(jù)來源；此外，利用存儲單元記錄的POS實時導(dǎo)航數(shù)據(jù)，可以對POS系統(tǒng)的故障進行分析，便于及時發(fā)現(xiàn)并處理系統(tǒng)運行過程中的種種問題，有利于提高整個系統(tǒng)的可測試性。

存儲技術(shù)歷經(jīng)多年發(fā)展，已經(jīng)從原始的磁帶記錄逐步過渡到光盤記錄和目前的半導(dǎo)體存儲器[4]。POS系統(tǒng)屬于機載設(shè)備，一般工作于高低溫變化大，電磁干擾嚴(yán)重，振動沖擊大的復(fù)雜環(huán)境下，這就要求存儲電路必須能承受寬溫度范圍，工作于復(fù)雜電磁環(huán)境且有良好的抗沖擊性能。POS系統(tǒng)經(jīng)常和各類載荷安裝在一起工作，為減小安裝平臺的負擔(dān)，POS系統(tǒng)的體積、重量和功耗都有嚴(yán)格的限制。為了達到與各類載荷進行通信的目的，POS系統(tǒng)應(yīng)具有多種通信接口，如CAN，RS 422和RS 232等，POS存儲電路要接收POS系統(tǒng)的各項數(shù)據(jù)就必須融合上述多種通信接口。此外，POS系統(tǒng)工作的實時性很高且工作時間較長，因此POS存儲電路必須速度快，容量大。半導(dǎo)體存儲器相對于其他存儲器，體積更小，功耗更低，速度快，存儲容量大且能工作于惡劣環(huán)境，而嵌入式微處理器的飛速發(fā)展也大大提高了半導(dǎo)體存儲器的存儲速度。因此，本文設(shè)計了一種基于STM32硬件平臺的高速POS存儲電路[5]，實現(xiàn)對POS系統(tǒng)各項工作數(shù)據(jù)的實時存儲。

1 POS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

POS系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

慣性測量單元IMU通過三支陀螺儀和三支加速度計實時采集觀測載荷的角運動和線運動信息，利用內(nèi)置的溫度傳感器采集陀螺儀和加速度計的溫度信息，并經(jīng)過預(yù)處理后發(fā)送給PCS進行捷聯(lián)解算；GNSS預(yù)處理模塊接收GNSS基站和流動站的衛(wèi)星導(dǎo)航信號，進行差分處理后發(fā)送給PCS；INS/GNSS實時融合處理模塊將捷聯(lián)解算后的數(shù)據(jù)和GNSS差分后的數(shù)據(jù)進行分析，一部分實時輸出給載荷作為位置和姿態(tài)基準(zhǔn)，另一部分發(fā)送給數(shù)據(jù)存儲單元作為后處理的數(shù)據(jù)源[6]。POS實時定位定姿信息的精度往往達不到各類載荷高清成像的要求，因此實時任務(wù)完成后，必須采用后處理軟件對采集存儲的IMU，GNSS信息進行后處理，以獲取高精度位置、速度和姿態(tài)信息，確保各類載荷成像質(zhì)量。

由此可見，POS系統(tǒng)的后處理能有效提升整個系統(tǒng)的輸出精度，為各類載荷提供更高精度的位置姿態(tài)基準(zhǔn)，而數(shù)據(jù)存儲單元能存儲POS后處理所需的所有原始信息，此外，存儲單元能透明地記錄POS系統(tǒng)飛行過程中的所有數(shù)據(jù)，其作用相當(dāng)于飛機當(dāng)中的黑匣子，便于用戶進行事后故障分析，為此給出了POS存儲系統(tǒng)的設(shè)計。

2 POS數(shù)據(jù)存儲電路總體設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的存儲和數(shù)據(jù)發(fā)送。為了給各類載荷提供實時的位置姿態(tài)基準(zhǔn)，POS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更新率必須很高，目前已達到200 Hz，PCS向載荷發(fā)送數(shù)據(jù)的波特率高達460 800 b/s，這就要求存儲電路具有高速的通信接口和中央控制器。CAN總線和RS 422總線的最高波特率能高達1 Mb/s和10 Mb/s，完全能接收PCS高速輸出的數(shù)據(jù)，此外CAN和RS 422均采用差分信號進行傳輸，能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕陔娐返脑O(shè)計中增加RS 232接口，能提高整個存儲電路的通用性。以高速ARM控制器作為存儲系統(tǒng)的核心控制芯片是最好的選擇，其運行速度快，核心頻率可超過100 MHz；具有CAN，USART和SPI等豐富的外設(shè)，只需對它們進行簡單的編程即可完成數(shù)據(jù)的收發(fā)，利用高速SD卡作為ARM控制器的外部存儲器，可輕松實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速存儲，整個存儲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2中IMU原始數(shù)、GPS原始數(shù)和POS導(dǎo)航數(shù)據(jù)分別通過RS 422接口、RS 232接口和CAN總線接口傳送至STM32最小系統(tǒng)，STM32芯片以DMA中斷的方式將接收的數(shù)據(jù)緩存至內(nèi)部RAM區(qū)，利用其自身的SPI接口驅(qū)動SD卡，將接收的數(shù)據(jù)按照FAT32文件系統(tǒng)的格式以文本文件的形式存入SD卡。為方便用戶讀取SD卡存儲的原始數(shù)據(jù)信息，本文設(shè)計了通用的USB讀卡器模塊，USB讀卡器芯片內(nèi)部集成了文件系統(tǒng)功能，只需要簡單的外部電路連接即可實現(xiàn)與計算機的USB通信，不僅降低了電路成本，而且提高了整個系統(tǒng)的可靠性。

3 系統(tǒng)軟硬件實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)電源模塊

POS系統(tǒng)是航空遙感領(lǐng)域一個必不可少的部分，在實際應(yīng)用中對POS系統(tǒng)的體積和功耗有非常嚴(yán)格的要求。存儲電路作為POS系統(tǒng)的重要組成部分，其功耗和體積應(yīng)盡可能的降低。因此本文所選用的器件工作電壓均為3.3 V，器件封裝均采用貼片式。POS存儲電路系統(tǒng)電源模塊設(shè)計圖如圖3所示，飛機輸出的航空標(biāo)準(zhǔn)電源電壓28 V經(jīng)過二次電源模塊的轉(zhuǎn)換后變?yōu)? V，二次電源模塊選用西安偉京電子生產(chǎn)的28to5DC?DC模塊。為了滿足POS存儲電路的工作電壓要求，必須設(shè)計電源轉(zhuǎn)換模塊將系統(tǒng)的5 V電壓轉(zhuǎn)換為存儲電路所需的3.3 V工作電壓。根據(jù)POS的特殊工作環(huán)境，POS存儲電路的電源應(yīng)該具有較高的可靠性，能輸出3.3 V的穩(wěn)定電壓，電源的穩(wěn)定性要好，紋波電壓小且輸出功率足夠大[7]。本文選用TI公司的TPS75201，這款芯片的工作溫度范圍寬（-55～125 ℃），輸入電壓承受范圍寬（-0.3～13.5 V），輸出功率大（輸出電流高至2 A），芯片體積小且散熱性能好。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集電路是整個存儲電路的最前端，它接收來自導(dǎo)航計算機的IMU原始數(shù)、GPS原始數(shù)和實時導(dǎo)航數(shù)據(jù)。本文設(shè)計了CAN接口、RS 422接口和RS 232接口，它們與STM32單片機的物理層電路設(shè)計圖如圖4所示。其中CAN和RS 422均采用差分信號進行傳輸[8]，能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，RS 232接口能和PC機進行實時通信，將存儲電路的工作狀態(tài)實時報告給上位機。

5 結(jié) 語

研制高精度位置姿態(tài)測量系統(tǒng)，提高各類航空遙感載荷的成像精度，對增強我國國防實力具有重要意義。而POS數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)是高精度位置姿態(tài)測量系統(tǒng)中必不可少的部分。本文從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟、硬件實現(xiàn)兩方面給予了分析設(shè)計，最終實現(xiàn)了穩(wěn)定的POS數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，保證POS后處理工作正常進行，促進了我國航空遙感事業(yè)的快速發(fā)展。

參考文獻

[1] 高鐘毓.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[2] 安培浚，高峰，曲建升.對地觀測系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢及其技術(shù)需求[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2007，22（6）：28?29.

[3] 李德仁，王樹根，周月琴.攝影測量與遙感概論[M].2版.北京：測繪出版社，2008.

[4] 劉凱.存儲技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2011.

[5] 劉波文，孫巖.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS?Ⅱ經(jīng)典實例：基于STM32處理器[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2014.

[6] 秦永元.卡爾曼濾波與組合導(dǎo)航原理[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2012.

[7] 張文俊，聶國健，鄭麗香.國外最新可靠性預(yù)計方法綜述[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2009，27（2）：24?28.

[8] 趙偉高，朱莊生.無人機電力巡檢中光纖IMU數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（16）：34?37.

[9] 蒙博宇.STM32自學(xué)筆記[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[10] 李偉，張真，范文豪.基于STM32微控制器的MP3播放器設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（4）：118?120.

[11] 劉智勇，陳鵬飛，宿磊，等.基于STM32芯片的U盤/SD卡文件傳輸技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)2014，37（18）：107?109.

[12] 劉榮.圈圈教你玩USB[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.