DSP技術(shù)下導(dǎo)航計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要：文章旨在借助DSP技術(shù)設(shè)計一款滿足實際需求的導(dǎo)航計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，并通過部分檢測結(jié)果證實所設(shè)計系統(tǒng)的可行性。本文在闡述DSP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢基礎(chǔ)上，設(shè)計該系統(tǒng)軟件和硬件，詳細介紹通信模塊、GPS模塊、電源模塊等設(shè)計情況，并開展相關(guān)實驗，對實驗結(jié)果展開分析。

關(guān)鍵詞：DSP技術(shù)；導(dǎo)航計算機；數(shù)據(jù)處理；軟硬件設(shè)計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.149

0 引言

導(dǎo)航是指將運動載體根據(jù)一定規(guī)律沿著設(shè)定軌跡輸送至預(yù)訂目的地這一過程。早先導(dǎo)航過程中，因人類對自然現(xiàn)象認識不深，主要運用相對直觀的信息，設(shè)計原理也比較簡單，這種情況難以保障導(dǎo)航精度。隨著科學(xué)技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，人們對導(dǎo)航信息處理提出更高的要求。本次研究在提高數(shù)據(jù)處理功能、保障信息處理時效性基礎(chǔ)上，提出基于DSP技術(shù)的導(dǎo)航計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以期為導(dǎo)航計算機的發(fā)展和廣泛應(yīng)用提供一定指導(dǎo)。

1 概述DSP系統(tǒng)構(gòu)成要素

數(shù)字信號處理（DSP）是是一門涉及多方面的知識、應(yīng)用廣泛的新興學(xué)科，DSP系統(tǒng)是以數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)，其具有接口和編程方便、精度高等優(yōu)點，通過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)在通信、概率統(tǒng)計、數(shù)值分析等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。雖然數(shù)據(jù)信號處理理論發(fā)展比較迅速，但在20世紀(jì)80年代之前，由于實現(xiàn)方式的限制，數(shù)字信號處理理論并未獲得廣泛運用。直至20世紀(jì)70年代，可編程的DSP芯片誕生，才徹底將理論應(yīng)用于實踐中，進一步推動新理論及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

2 導(dǎo)航計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電源模塊設(shè)計

由于該系統(tǒng)有DSP、AD轉(zhuǎn)換等多種芯片，且這些芯片所需的電壓有所差異，這種條件下必須設(shè)計支持輸出多路獨立的電源模塊。加之，本次研究采用光耦隔離芯片把整個電路隔離成為沒有電連接兩個獨立的部分，對兩個部分之間不可有電連接。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

對溫度或模擬信號進行采集時，想要對這些信號進行放大和AD轉(zhuǎn)換出來，并通過FPGA 完成相應(yīng)的處理。同時，運用石英撓性加速度計對加速度信號進行采集，雖然其測量精度較高，但輸出的是模擬信號，必須將其轉(zhuǎn)變?yōu)楸緮?shù)字信號方可被FPGA 采集[2]。一般情況下，常利用I/F 轉(zhuǎn)換或 A/D 采樣實現(xiàn)由模擬至數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。由于 I/F 轉(zhuǎn)換方法是基于電荷平衡理論實現(xiàn)的，其借助標(biāo)準(zhǔn)電流組成反積分電荷量，不斷修正及速度計輸出的積分荷量。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件總體設(shè)計

導(dǎo)航計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件設(shè)計應(yīng)具有以下功能：依據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)對初始化數(shù)據(jù)的要求，由外部獲取初始位置信息、姿態(tài)角度；及時采集加速度計、陀螺輸出的模擬信號并將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量[3]。同時，能夠根據(jù)實際要求計算角速度、加速度等信息。此外，對于系統(tǒng)和GPS輸出的速度及位置信息，綜合各自誤差方程，利用卡爾曼濾波法進行求解，估算可能出現(xiàn)的誤差，并依據(jù)這個誤差值，對系統(tǒng)實施補償處理，以此獲得準(zhǔn)確的姿態(tài)、速度信息，并將其傳輸至控制單元上。

3.2 DSP啟動加載模塊

啟動加載作為DSP獨特的應(yīng)用程序運行方法，當(dāng)DSP系統(tǒng)連上電后，會把FLASH芯片內(nèi)的應(yīng)用程序慢慢搬移至內(nèi)部或RAM內(nèi)，并由外擴的RAM執(zhí)行相應(yīng)的程序。由于所用芯片內(nèi)包含IK字節(jié)的空間，因此，設(shè)計者應(yīng)編寫一段程序，方可實現(xiàn)以下操作：（1）設(shè)置合理的EMIF參數(shù)，就是對外部RAM進行初始化操作；（2）把FLASH上面的應(yīng)用程序搬移至最佳位置；將程序控制權(quán)上交至RAM應(yīng)用程序中。編寫的小程序與導(dǎo)航程序依次進行編譯，均燒寫至FLASH芯片內(nèi)，如此系統(tǒng)充上電后，方可執(zhí)行啟動加載過程。

3.3 GPS信息接收模塊

GPS能夠提供時間、經(jīng)緯度、速度、定位星數(shù)等信息，這些均由一組連續(xù)字節(jié)數(shù)據(jù)代表，主要包括信息頭、信息體和結(jié)尾，其中，信息頭設(shè)定固定、信息長度、信息號字節(jié)均為1個。信息體包含多個字節(jié)，主要表示各類定位信息，一般由8個雙精度浮點數(shù)、4個單精度浮點數(shù)代表。對多個字節(jié)數(shù)據(jù)而言，通常低字節(jié)設(shè)置在前，高字節(jié)處于后邊，由導(dǎo)航計算機接受一系列字節(jié)數(shù)據(jù)后，必須根據(jù)上述定義，把這一連續(xù)字節(jié)轉(zhuǎn)變成為所需的經(jīng)緯度等信息。GPS接收機能夠發(fā)出多組數(shù)據(jù)信息，上述信息借助信息頭進行區(qū)分。

4 系統(tǒng)性能測試

4.1 測試組合導(dǎo)航解算時間

CCS6000C語言調(diào)試系統(tǒng)具有編譯、連接等功能，其中，優(yōu)化處理功能對提升程序運行效率、縮短運行時間產(chǎn)生積極地影響。在系統(tǒng)硬件平臺上展開測試，只需編程組合導(dǎo)航算法，無需進行數(shù)據(jù)采集，從而測試導(dǎo)航算法在系統(tǒng)硬件平臺上所用的運算時間。由下列數(shù)據(jù)可知，與不優(yōu)化對比，通過函數(shù)級優(yōu)化約能縮短3倍左右的運行時間。加之，借助程序內(nèi)的關(guān)鍵循環(huán)展開各項操作，從而充分運用TMS320C67X的8級流水線，程序運行效率還會有一定程度的提升。此外，使用最高級別優(yōu)化-O3運算數(shù)量明顯提高，但不能展開測試。

4.2 測試計脈沖數(shù)

綜上所述，運用DSP技術(shù)對導(dǎo)航計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)展開設(shè)計，不僅能對程序?qū)嵤﹥?yōu)化處理，也能有效改善導(dǎo)航的進度和準(zhǔn)確性。本文以DSP技術(shù)為研究視角，通過分析DSP系統(tǒng)主要構(gòu)成及特點基礎(chǔ)上，提出導(dǎo)航計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟硬件各模塊設(shè)計，并對計脈沖數(shù)、組合導(dǎo)航解算時間展開測試，驗證這種設(shè)計的有效性、可行性，以期為類似研究提供一定指導(dǎo)。

參考文獻：

[1]呂浩.基于DSP的某導(dǎo)航計算機模塊的設(shè)計[J].數(shù)碼世界，2016（07）：12.

[2]閆東亞.基于DSP/FPGA的組合導(dǎo)航系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].哈爾濱工程大學(xué)，2014.

[3]石冰倩.基于DSP的導(dǎo)航計算機硬件設(shè)計[J].信息技術(shù)與信息化，2015（12）：128-131.

作者簡介：劉旭東（1978-），男，博士，副教授，研究方向：光電傳感與檢測。endprint