基于ＦＰＧＡ和高精度ＡＤＣ的組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：介紹了高精度模數(shù)變換(ADC)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)與全球定位系統(tǒng)(GPS)構(gòu)成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用，討論了運(yùn)用多片ADC同時(shí)對(duì)陀螺儀、加速度計(jì)等慣性傳感器信號(hào)進(jìn)行并行采集，使用FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)ADC進(jìn)行時(shí)序控制和對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行硬件數(shù)字濾波的方案，最后給出了系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

關(guān)鍵詞：組合導(dǎo)航；FPGA；模數(shù)轉(zhuǎn)換；OMAP

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004373X(2008)1702803

System Design of Integrated Navigation Based on FPGA and ADC

TIAN Yumin，LIU Siwei，BAI Yunchao

(Xi′an Research Institute of Surveying and Mapping，Xi′an，710054，China)

Abstract：This paper introduces high-precision Analog-to-Digital Converter (ADC) and Field Programmable Gates Array (FPGA) application approach in a Inertial Navigation System(INS) and Global Positioning System(GPS) integrated navigation system.It discusses how to utilize AD2151 converter to collect data of multi gyroscope and accelerometer，how to control A/D by FPGA，how to filer the data signal in FPGA.Finally，the test result of system is presented，which meets the design goal so well.

Keywords：integrated navigation；FPGA；analog-to-digital converter；OMAP

1 引 言

INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域和民用方面的運(yùn)動(dòng)載體中得到了廣泛應(yīng)用。INS是組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的核心部分，涉及多個(gè)陀螺儀、多個(gè)加速度計(jì)和溫度傳感器等眾多傳感器數(shù)據(jù)的采集與處理，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)算的實(shí)時(shí)性要求也很高。對(duì)于導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的研究，許多學(xué)者做了大量有益的工作^［1-4］。傳感器數(shù)據(jù)采集現(xiàn)有方案大多采用一片多路△-∑結(jié)構(gòu)的AD芯片采集6路慣性器件信號(hào)^［5］，這就造成6路信號(hào)的數(shù)據(jù)采集不能同時(shí)進(jìn)行，在高動(dòng)態(tài)下導(dǎo)致組合導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航精度的下降。本文以TI公司生產(chǎn)的AD變換器AD1274和Altera公司生產(chǎn)的FPGA EP1S30位主選芯片，闡述了組合導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。

2 數(shù)據(jù)采集

組合導(dǎo)航系統(tǒng)的傳感器包括3個(gè)低成本微機(jī)械陀螺儀(AD′ADXRS150)、3個(gè)微機(jī)械加速度計(jì)(AD′ADXL210)、壓力傳感器(Motorola′MPX4115A)、二軸磁羅盤(pán)(Honeywel′HMC1022)、一個(gè)溫度傳感器(TI′TMP275)和GPS。對(duì)于這些傳感器需同時(shí)采樣，方能滿足組合導(dǎo)航系統(tǒng)的要求。本系統(tǒng)選用TI公司生產(chǎn)的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1274。ADS1274是一款高性能的24位△-∑結(jié)構(gòu)的AD轉(zhuǎn)換器，有4路同步采樣輸入通道，輸出有串行和并行兩種方式^［6］，如圖1所示。

本系統(tǒng)中共采用3片AD1274，一片用于3個(gè)陀螺儀信號(hào)的數(shù)據(jù)采集；另一片用于3個(gè)加速度計(jì)的數(shù)據(jù)采集；第三片用于2個(gè)磁方位傳感器、1個(gè)壓力傳感器的數(shù)據(jù)采集，溫度傳感器的輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，不需要進(jìn)行模數(shù)變換。每一片均剩余一路AD，用于今后深入研究的冗余系統(tǒng)。

為了克服由于傳感器輸出信號(hào)數(shù)據(jù)采集時(shí)間上的不同步引起的導(dǎo)航計(jì)算偏差，除采用具有4通道同步采用的AD1274外，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制采用具有并行機(jī)制的FPGA，芯片選用Altera公司的Cyclone低成本FPGA EP1C6Q240。

3 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

組合導(dǎo)航系統(tǒng)的功能包括：

數(shù)據(jù)采集 采集各種傳感器信號(hào)(陀螺儀、加速度計(jì)、磁羅盤(pán)、溫度計(jì)、氣壓高程等)；

預(yù)處理 采用數(shù)字濾波技術(shù)對(duì)采集到的傳感器信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理；

導(dǎo)航計(jì)算 利用導(dǎo)航算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理；

輸出導(dǎo)航信息 將系統(tǒng)的位置、速度、姿態(tài)的功能信息輸出到運(yùn)動(dòng)載體控制系統(tǒng)，進(jìn)行導(dǎo)航指示和運(yùn)動(dòng)控制。

導(dǎo)航計(jì)算和導(dǎo)航信息輸出采用TI的OMAP5912實(shí)現(xiàn)。組合導(dǎo)航系統(tǒng)原理如圖2所示。

OMAP5910是TI公司生產(chǎn)的雙核處理器，將TMS320C55XTMDSP內(nèi)核與ARM9TDMI內(nèi)核集成在單芯片上，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用性能與低功耗的最佳組合。這種獨(dú)特的架構(gòu)不僅提供了DSP的低功耗、實(shí)施信號(hào)處理功能，同時(shí)還提供了ARM的命令和控制功能。充分發(fā)揮了DSP進(jìn)行加、乘運(yùn)算的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行導(dǎo)航參數(shù)的實(shí)時(shí)運(yùn)算，發(fā)揮ARM超強(qiáng)事務(wù)管理功能進(jìn)行如導(dǎo)航數(shù)據(jù)的輸出、顯示、控制伺服機(jī)構(gòu)等。

4 FPGA設(shè)計(jì)

4.1 FPGA邏輯設(shè)計(jì)

FPGA的主要工作在于：同步產(chǎn)生各ADC的工作時(shí)序；同步發(fā)送命令字；同步接收、數(shù)字濾波和存儲(chǔ)各ADC的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；提供與外部處理器的邏輯接口。FPGA內(nèi)部的邏輯單元主要包括：狀態(tài)機(jī)(State)、ADC控制器、數(shù)字濾波器、RAM塊、接口單元等，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

狀態(tài)機(jī)State是FPGA內(nèi)部的控制單元，它按照固定的節(jié)拍周而復(fù)始地運(yùn)行，并指揮著ADC控制器完成各種操作。根據(jù)FPGA對(duì)ADC數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的不同過(guò)程，狀態(tài)機(jī)可分為不同的4個(gè)狀態(tài)周期。對(duì)于發(fā)送過(guò)程，其4個(gè)狀態(tài)周期依次為：建立周期、發(fā)送周期、采樣周期、轉(zhuǎn)換周期；對(duì)接收過(guò)程，其4個(gè)狀態(tài)周期依次為：建立周期、接收周期、存儲(chǔ)周期、空閑周期。由于發(fā)送和接收過(guò)程在時(shí)間上可以重疊，其狀態(tài)流程圖如圖4所示，其中Count的值是根據(jù)采樣頻率確定的，對(duì)不同的系統(tǒng)可參照選擇。

ADC控制器是FPGA內(nèi)部的主要執(zhí)行單元，它按照狀態(tài)機(jī)的節(jié)拍和狀態(tài)指示進(jìn)行相應(yīng)的工作。RAM是FPGA內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)各ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。接口單元是FPGA內(nèi)部的功能協(xié)調(diào)單元，為外部處理器OMAP對(duì)FPGA的訪問(wèn)提供橋梁，當(dāng)OMAP向FPGA寫(xiě)入ADC初始化配置字時(shí)，接口單元將配置字送往ADC控制器，同時(shí)復(fù)位狀態(tài)機(jī)；當(dāng)OMAP讀取FPGA內(nèi)部RAM塊的數(shù)據(jù)時(shí)，接口單元對(duì)外部處理器的訪問(wèn)地址進(jìn)行譯碼，選中對(duì)應(yīng)的RAM塊，將訪問(wèn)的數(shù)據(jù)送到外部處理器的總線上。

對(duì)于低成本微機(jī)械陀螺儀和加速度計(jì)，由于微慣性儀表技術(shù)不很成熟，在性能和精度上仍存在不足，如數(shù)據(jù)輸出中存在野值現(xiàn)象和較大漂移，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的正常工作和精度，因此在進(jìn)行組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)融合算法之前，有必要對(duì)微機(jī)械傳感器(陀螺儀、加速度計(jì)、壓力傳感器等)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。本系統(tǒng)采用文獻(xiàn)［7］介紹的方法利用FPGA設(shè)計(jì)FIR濾波器。考慮總體要求，數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)：通頻帶0～20 Hz；通帶衰減不大于-3 dB；過(guò)渡帶寬 5 Hz；阻帶內(nèi)最小衰減不小于-20 dB；采用頻率100 Hz。

FPGA通過(guò)這些內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元的協(xié)調(diào)工作，來(lái)完成對(duì)各ADC數(shù)據(jù)的同步采集，以及與外部處理器OMAP的無(wú)縫接口。

4.2 邏輯仿真

根據(jù)FPGA內(nèi)部的邏輯單元結(jié)構(gòu)和功能，在Altera公司提供的Quartus Ⅱ開(kāi)發(fā)平臺(tái)中，用VHDL語(yǔ)言對(duì)上述邏輯進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了功能仿真。其設(shè)計(jì)結(jié)果已在該公司的EP1C6得到實(shí)現(xiàn)，且性能穩(wěn)定。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了基于FPGA和高精度ADC的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有開(kāi)發(fā)周期短、集成化程度高等特點(diǎn)。軟件和硬件均采用編程實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)靈活，容易修改，在實(shí)際應(yīng)用中收到良好的效果。通過(guò)跑車(chē)試驗(yàn)，基于FPGA和高精度ADC的組合導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航位置精度：水平位置6 m(無(wú)DGPS)，5 min 300 m(無(wú)GPS信號(hào))；姿態(tài)精度：橫滾和俯仰角度0.3°～0.5°(有GPS)，0.7°～1.0°(無(wú) GPS)；航向角度0.4°(有GPS)，2°(無(wú) GPS)。實(shí)驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行，達(dá)到了預(yù)期目的。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］李宏生.基于DSP的主從式緊耦合捷聯(lián)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)［J］.中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2001，9(3)：35-38.

［2］王其，徐曉蘇.基于浮點(diǎn)DSP的SINS/GPS艦船導(dǎo)航計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)［J］.艦船電子工程，2007，27(2)：73-75.

［3］黃麗斌，周白令，單茂華.基于DSP的嵌入式導(dǎo)航計(jì)算機(jī)分布系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2003，11(4)：16-19.

［4］孫科，劉剛，房建成.基于ARM和DSP的嵌入式導(dǎo)航計(jì)算機(jī)方案設(shè)計(jì)［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，37(1)：23-25.

［5］徐盛友，蒙建波，陳清洪.高精度ADS1256轉(zhuǎn)換器及其在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2006(2)：31-33.

［6］http://dataconverter.ti.com/

［7］王心渙.基于FPGA的高速FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(15)：184-187.

作者簡(jiǎn)介 田育民 高級(jí)工程師。現(xiàn)從事慣性技術(shù)研究。