基于DSP的多通道慣性導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

青 澤，牟 東，廉 璞，李東杰

(中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽(yáng) 621999)

0 引言

慣性導(dǎo)航是用陀螺儀和加速度計(jì)提供的測(cè)量數(shù)據(jù)確定所在運(yùn)載體的位置的過(guò)程[1]。慣性導(dǎo)航試驗(yàn)是驗(yàn)證慣性導(dǎo)航設(shè)備、算法和技術(shù)的重要手段，如地面跑車(chē)試驗(yàn)。目前開(kāi)展慣性導(dǎo)航試驗(yàn)的通常做法是針對(duì)某一具體任務(wù)和特定類(lèi)型的慣性導(dǎo)航設(shè)備，臨時(shí)搭建相應(yīng)的試驗(yàn)系統(tǒng)。這樣的方法具有試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、試驗(yàn)系統(tǒng)無(wú)法用于其他類(lèi)型的慣性導(dǎo)航設(shè)備，即不具有通用性等缺點(diǎn)。

DSP是繼單片機(jī)技術(shù)之后，當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中最為熱門(mén)的關(guān)鍵技術(shù)之一，具有運(yùn)算速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)控制、自動(dòng)化和信號(hào)處理等領(lǐng)域中[2-3]。

本文針對(duì)慣性導(dǎo)航試驗(yàn)通常做法中存在的試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、試驗(yàn)系統(tǒng)不具有通用性等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于DSP的多通道慣性導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，包含4路串口通信通道和2路A/D采集通道，理論上可滿(mǎn)足6套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)同時(shí)開(kāi)展試驗(yàn)。工程應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)至少可支持3套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，在保證試驗(yàn)要求的同時(shí)，有效縮短試驗(yàn)周期，降低試驗(yàn)成本。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

多通道慣性導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)主控芯片采用TMS320F2812，該芯片集成了2路串行通信接口SCI、1路串行外設(shè)接口SPI、3路外部中斷接口以及多達(dá)56個(gè)獨(dú)立的可編程多用途通用輸入輸出(GPIO)引腳[4]?；赥MS320F2812的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要由4部分組成：串口通信部分包括4路串口通信通道，A/D采集部分包括2路A/D采集通道，存儲(chǔ)器部分包括程序存儲(chǔ)器FLASH、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SRAM和備用的鐵電存儲(chǔ)器，電源部分。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

多通道慣性導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)具有4路串口通信通道和2路A/D采集通道，可根據(jù)慣性導(dǎo)航設(shè)備接口類(lèi)型的不同(如RS232/RS422)選擇不同的通道進(jìn)行慣性導(dǎo)航試驗(yàn)。需要多套慣性導(dǎo)航設(shè)備同時(shí)開(kāi)展試驗(yàn)時(shí)，將各設(shè)備通過(guò)對(duì)應(yīng)的通道分別連接至該系統(tǒng)，慣性導(dǎo)航設(shè)備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)各自通道發(fā)送至DSP，DSP按照慣性導(dǎo)航算法對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，試驗(yàn)結(jié)束后從存儲(chǔ)器中讀取相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，即可實(shí)現(xiàn)利用該系統(tǒng)搭載多套慣性導(dǎo)航設(shè)備同時(shí)進(jìn)行慣性導(dǎo)航試驗(yàn)。

2 硬件設(shè)計(jì)

多通道慣性導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示，主要包括存儲(chǔ)器模塊設(shè)計(jì)、串口通信模塊設(shè)計(jì)、A/D采集模塊設(shè)計(jì)和電源模塊設(shè)計(jì)。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 存儲(chǔ)器模塊設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)器模塊主要用于存儲(chǔ)軟件程序和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括程序存儲(chǔ)器FLASH、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SRAM和備用的鐵電存儲(chǔ)器。

TMS320F2812的片內(nèi)已經(jīng)包含128 KB×16位的FLASH和18 KB×16位的RAM，但為了滿(mǎn)足該系統(tǒng)的通用性，需要進(jìn)一步擴(kuò)展其存儲(chǔ)空間。因此，在存儲(chǔ)器模塊設(shè)計(jì)中，通過(guò)TMS320F2812的外部接口XINTF外擴(kuò)了512 KB×16位的FLASH和512 KB×16位的SRAM，同時(shí)通過(guò)TMS320F2812的SPI接口擴(kuò)展了256 KB的鐵電存儲(chǔ)器作為備用存儲(chǔ)器。

圖3 存儲(chǔ)器模塊設(shè)計(jì)

2.2 串口通信模塊設(shè)計(jì)

目前市場(chǎng)上的慣性導(dǎo)航設(shè)備多采用串口通信接口，如RS232/RS422。因此，多通道慣性導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了4路串口通信通道(包括2路RS232和2路RS485/422)。其中2路通道(通道3：RS232和通道4：RS485/422)直接通過(guò)TMS320F2812的SCIA和SCIB接口，利用其內(nèi)部中斷方式實(shí)現(xiàn)串口通信；另外2路通道(通道1:RS232和通道2:RS485/422)利用TMS320F2812的外部接口XINTF連接串口芯片XR16C854實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展串口通信，如圖4所示。

XR16C854是一款增強(qiáng)型4通道串口拓展芯片，其自身帶有128 Byte的FIFO和獨(dú)立的接收/發(fā)送FIFO計(jì)數(shù)器，能降低整體串口中斷服務(wù)時(shí)間，最大的傳輸速率可以達(dá)到2 MB/s[8]。如圖4所示，其一路通道通過(guò)MAX3323E實(shí)現(xiàn)RS232通信，另一路通道則通過(guò)ADM2582E實(shí)現(xiàn)RS485/422通信，其讀/寫(xiě)(IOR/IOW)、通道片選(CSA/CSB)、中斷(INTA/INTB)以及數(shù)據(jù)(D0-D7)、地址(A0-A2)信號(hào)等分別連接至DSP的對(duì)應(yīng)引腳。

2.3 A/D采集模塊設(shè)計(jì)

一些慣性導(dǎo)航設(shè)備輸出的是模擬信號(hào)，如ADXRS64x系列陀螺儀產(chǎn)品。因此，多通道慣性導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了2路A/D采集通道。該模塊通過(guò)TMS320F2812的外部接口XINTF連接A/D轉(zhuǎn)換器AD7606實(shí)現(xiàn)。AD7606是一款16位的多路A/D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)置模擬輸入箝位保護(hù)、片內(nèi)精密基準(zhǔn)電壓和輸入運(yùn)放緩沖器，在不降低分辨率的情況下，可顯著減少外圍器件，有效節(jié)約系統(tǒng)空間[9-11]。

圖4 串口通信模塊設(shè)計(jì)

圖5 A/D采集模塊設(shè)計(jì)

2.4 電源模塊設(shè)計(jì)

多通道慣性導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)的電源輸入可由地面設(shè)備(如直流穩(wěn)壓電源)或電池提供。輸入電壓為5 V，系統(tǒng)內(nèi)各模塊需求電壓主要有5 V和3.3 V，因此，采用DC/DC轉(zhuǎn)換器RS-053.3S實(shí)現(xiàn)5 V電壓到3.3 V電壓的轉(zhuǎn)換，電源設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 電源模塊設(shè)計(jì)

3 軟件設(shè)計(jì)

多通道慣性導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，軟件流程圖如圖7所示。系統(tǒng)上電后首先執(zhí)行DSP初始化操作，并進(jìn)行串口配置和A/D初始化等操作，當(dāng)各通道通信正常后，開(kāi)始慣性導(dǎo)航試驗(yàn)；試驗(yàn)過(guò)程中，來(lái)自各慣性導(dǎo)航設(shè)備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)由各通道發(fā)送至DSP，DSP根據(jù)事先設(shè)計(jì)的程序算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，在上位機(jī)可對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步判定，當(dāng)判定數(shù)據(jù)正常時(shí)，DSP將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，直至試驗(yàn)結(jié)束。

圖7 軟件流程圖

4 工程應(yīng)用

在某試驗(yàn)任務(wù)中，需要利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量載體相對(duì)于上電啟動(dòng)點(diǎn)的距離，要求距離測(cè)量誤差小于500 m。為此，設(shè)計(jì)了3套不同類(lèi)型的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(分別記為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)A、B、C)和相對(duì)導(dǎo)航算法。為驗(yàn)證導(dǎo)航算法的有效性，同時(shí)對(duì)比3套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的性能差異，利用本文設(shè)計(jì)的多通道慣性導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)同時(shí)搭載3套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行跑車(chē)試驗(yàn)。

圖8為手機(jī)導(dǎo)航記錄的跑車(chē)試驗(yàn)實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，圖9為試驗(yàn)系統(tǒng)得到的3套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)記錄的運(yùn)動(dòng)軌跡與GPS真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡的對(duì)比，從圖9可以看出，利用試驗(yàn)系統(tǒng)搭載的各套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)記錄的運(yùn)動(dòng)軌跡與實(shí)際軌跡基本吻合。圖10和圖11分別為3套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的東向軌跡誤差和北向軌跡誤差。從圖中可以看出，3套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的距離測(cè)量誤差均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，但各套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的性能存在一定的差異。

圖8 手機(jī)導(dǎo)航記錄的運(yùn)動(dòng)軌跡

圖9 試驗(yàn)系統(tǒng)記錄的各系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡

本次試驗(yàn)說(shuō)明，利用多通道慣性導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)不僅可進(jìn)行導(dǎo)航算法的驗(yàn)證，還可同時(shí)進(jìn)行多套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的對(duì)比試驗(yàn)，具有一定的通用性，有效縮短了試驗(yàn)周期，降低了試驗(yàn)成本。

圖10 各慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)得的東向軌跡誤差

圖11 各慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)得的北向軌跡誤差

5 結(jié)束語(yǔ)

采用TMS320F2812處理器作為主控芯片，設(shè)計(jì)了具有4路串口通信通道和2路A/D采集通道的多通道慣性導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)。工程應(yīng)用結(jié)果表明：該系統(tǒng)至少可支持3套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，具有一定的通用性，可有效縮短試驗(yàn)周期，降低試驗(yàn)成本。