衛星/慣性組合定位系統中的數據采集單元設計

楊宗霖，姚速瑞，張浩峰*(．南京理工大學計算機學院，南京0094; ．南京理工大學機械工程學院，南京0094)

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衛星/慣性組合定位系統中的數據采集單元設計

楊宗霖1，姚速瑞2，張浩峰1*
(1．南京理工大學計算機學院，南京210094; 2．南京理工大學機械工程學院，南京210094)

摘要:介紹了一種衛星/慣性組合導航系統中的數據采集單元的設計過程及其測試結果。系統以低功耗單片機MSP430為控制器，并通過18 bit 8通道同步數據采集芯片AD7609采集三通道加速度計輸出，通過串口擴展芯片XR16V554接收三通道數字化光纖陀螺的輸出數據，由單片機串口接收GPS接收機的輸出數據。單片機將采集到的數據打包后，通過串口輸出給導航計算機進行解算。測試表明:表征數據采集單元3個模/數轉換通道量化噪聲水平的1小時采樣數據的1σ標準差最大值為1．76 μg(@ 1 Hz)，優于待測加速度計偏置穩定性(1小時采樣數據的1σ標準差)為50 μg(@ 1 Hz)的性能指標;數據采集單元同時能完成基于串口通信的陀螺輸出信號、GPS接收機輸出信號的接收及所有采集信號的正確傳輸。

關鍵詞:組合導航系統;多通道數據采集系統;多路串口擴展; MSP430; GPS接收機

衛星/慣性組合導航系統因其優良的性能，在軍用與商用導航領域得到了廣泛的應用。衛星/慣性組合導航系統中的嵌入式計算機系統主要由數據采集單元與導航計算機兩部分組成。其中，數據采集單元的任務是:將采集到的慣性傳感器數據與GPS接收機輸出的數據傳送給導航計算機進行導航解算，從而得到速度、位置、姿態等導航信息。作為衛星/慣性組合導航系統的信息來源，數據采集單元直接影響著組合導航系統的整體性能［1－3］。

論文討論的數據采集單元，主要實現對由三個軸向的電流輸出石英撓性加速度計及三個軸向的數字化光纖陀螺組成的IMU中的各個傳感器信號進行數據采集，采樣率為100 Hz。石英撓性加速度計的量程為±10 gn，偏置穩定性(1σ)為5×10－5gn(1 Hz采樣率) ;每個光纖陀螺通過各自的串口輸出傳感器敏感的角速率;系統同時能通過串口接收GPS接收機輸出的信息。

針對電流輸出型加速度計，以往大多采用專門設計的多通道I/F轉換電路將加速度計輸出的電流信號進行I/F轉換，然后通過利用CPLD(或FPGA)設計的多通道計數器完成加速度計的數據采集［4－5］;針對光纖陀螺的多串口接收，也常用CPLD(或FPGA)進行多串口擴展［6－7］。這些設計方案都能有效地完成數據采集任務，但系統結構相對復雜、通用性不強，成本高，功耗大。

隨著微電子技術的飛速發展，速度快、精度高、體積小、功耗低成為組合導航系統硬件平臺的主要發展趨勢。在設計數據采集單元時，采用了低功耗高性能單片機MSP430作為控制器［8－9］;根據需采集的加速度計的性能，采用I/V轉換+A/D轉換的方案代替傳統的I/F轉換+6通道計數器的方案完成三軸加速度計輸出信號的采集;采用高集成性的串口擴展芯片XR16V554接收3個軸向的數字化光纖陀螺的輸出數據;通過單片機內置的串口接收GPS接收機的輸出數據;采集數據經處理后通過串口發送給導航計算機。由于設計時采用的是集成度高、功耗低的通用電路，因此，系統結構簡潔、成本低廉、功耗小，并能滿足數據采集的性能要求。

1　系統的總體設計

1．1三軸加速度計信號采集

針對前述衛星/慣性組合導航系統中IMU采用的加速度計的主要性能指標，設計的數據采集單元選用ADI公司具有過采樣機制的18 bit 8通道同步數據采集芯片AD7609對加速度計輸出信號進行過采樣;初始采樣率為2 kHz，通過對20個采樣數據進行平滑，得到100 Hz的導航解算用采樣數據。AD7609內部8個輸入通道通過多路選擇開關共享一個模/數轉換器，但由于每個通道具有各自獨立的采樣保持器，因此通過使多通道同時從采樣狀態切換到保持狀態(然后再對各個通道進行分時轉換)，可以保證多通道信號的同時采集［10］。由于輸入是差分的，因此還能避免各通道共地造成的信號串擾。

1．2三軸陀螺信號采集及其他串行接口設計

與機械陀螺相比，光纖陀螺具有耐沖擊、長壽命、高分辨率、寬動態范圍、啟動時間短等突出優點，已成為捷聯式慣性導航系統中理想的慣性器件［11－12］。衛星/慣性組合導航系統中的IMU采用的某型光纖陀螺采用數字輸出方式，通過UART輸出數字化信息，通信波特率為115 200 bit/s;幀格式為:偶校驗，8 bit數據位，1 bit停止位。三個軸向的陀螺信號采集，需要3個UART。

系統采用的GPS接收機為U-blox公司的GPS接收模塊LEA－5H，該模塊可通過USB或UART實現信息傳輸。由于采用UART傳輸信息已能滿足需要，為簡化設計，設計的數據采集單元采用UART與GPS接收機進行通信。

在數據采集單元的設計過程中，采用了通過XR16V554擴展多串口(UART)的方案來彌補數據采集單元中的控制器內置UART數量不足的問題。通過擴展XR16V554，可擴展4個擁有16 byte接收/發送FIFO的UART。

1．3數據采集單元的總體方案

綜上所述，設計了如圖1所示的衛星/慣性組合導航系統中的數據采集單元結構。

圖1　數據采集單元結構框圖

由圖1可見，設計的數據采集單元主要由虛線框內的AD7609、MSP430F247及XR16V554組成。

模數轉換器AD7609將經I/V轉換后的加速度計模擬輸出數字化，并通過SPI接口將數據送給微控制器。微控制器通過總線方式訪問XR16V554，讀取通過3個UART接收的3個光纖陀螺輸出，而GPS接收機的輸出直接與微控制器的UART接收端相連。數據采集單元在微控制器的協調控制下，實現數據的采集、接收、打包等處理，最后將打包后的數據通過微控制器的UART的發送端發送給導航計算機。

2　數據采集單元的硬件實現

2．1基于AD7609三軸加速度計信號采集

需采集的加速度計的標度因數為1 mA/gn，因此其電流輸出范圍為±10 mA。由于AD7609各通道的輸入阻抗足夠大(大于1 MΩ)，因此可考慮直接采用采樣電阻的方式實現I/V轉換。當選擇AD7609模擬輸入范圍為±5 V時，可選擇500 Ω高精度取樣電阻并聯在AD7609的差分輸入端的方式實現I/V轉換，如圖2所示。這樣傳感器的滿量程與AD7609的滿量程一致，充分利用了AD7609的A/D轉換性能。

圖2　I/V轉換方案

通過AD7609的OS［2: 0］這3個引腳可以選擇AD7609的過采樣倍率，在最高過采樣倍率下(64倍率)，A/D轉換的采樣率仍能達到3．125 ksample/s，足以滿足系統100 Hz的采樣率要求。設計時，通過使OS［2: 0］引腳配置成110，使其工作在64倍采樣率模式(以獲取最高的A/D轉換滿量程量化信噪比)?？刂破魍ㄟ^控制AD7609的開始轉化信號CONVST A引腳啟動AD7609前4個通道的同時采樣過程;當轉換完成后，通過AD7609的SPI接口讀取A/D轉換結果，完成一次三軸加速度計的數據采集。

AD7609自帶溫度系數為±10×10－6/℃的2．5 V基準源。為使數據采集單元在寬溫范圍內具有更好的性能，為AD7609配置了溫度系數更小的外部基準源ADR421B(溫度系數為±3×10－6/℃)。同時對REFIN/REFOUT、REFCAPA和REFCAPB等引腳，通過10 μF電容進行了去耦。

2．2基于XR16V554的三軸陀螺信號采集

采用XR16V554的Intel總線連接形式，通過地址引腳A［2: 0］，微控制器可以選擇該芯片內部的相關寄存器，寄存器尋址如表1所示。通過寄存器配置可進行波特率選擇、FIFO工作方式選擇、使能中斷、讀取狀態標志等操作。為匹配光纖陀螺串口速率，在外接14．745 6 MHz晶振時，通過配置前置脈沖分頻器(MCR bit－7 = 1)，可得到115 200 bit/s的串口波特率。通過CSx引腳可以選擇相應的串口通道。將INTx與控制器的GPIO引腳相連，在產生中斷后，通過判斷相關通道的狀態，完成對應通道的數據接收。

表1　XR16V554片內寄存器地址

3　數據采集單元的軟件實現

數據采集單元的軟件實現主要包括以下幾個方面:系統控制主流程，定時器中斷函數，外部中斷函數，串口中斷函數。

3．1系統控制主流程

圖3　系統控制主流程

系統控制的主流程如圖3所示。當系統開始工作后，首先進行各模塊的初始化。通過定時器初始化，配置定時器為增計數模式，使能定時器中斷，當達到預定值便產生定時器中斷請求，系統進入定時器中斷服務。通過SPI初始化，使控制器SPI工作在主模式，用以接收ADC采集到的加速度計信號。通過對擴展串口芯片XR16V554的初始化，使其工作在FIFO模式，當存儲的數據達到規定字節數后，相應的INTx引腳向控制器發出中斷請求。通過初始化配置控制器的GPIO口，可以響應XR16V554產生的中斷請求。最后配置控制器本身的串口，使其采用DMA模式向導航計算機發送數據。接收端采用中斷模式，用以接收GPS接收機的輸出數據。在完成上述初始化工作后，為充分發揮MSP430低功耗特點，使系統處于低功耗0模式，等待中斷到來。若有中斷請求，控制器便從低功耗模式喚醒，轉而完成中斷服務。

3．2定時器中斷函數

定時器中斷函數執行流程如圖4所示。定時器以0．5 ms為時間間隔周期性地產生中斷請求。在中斷子函數中，控制器首先發出觸發電平，用于啟動ADC的A/D轉換，隨后選通SPI通道，讀取模數轉換結果。為降低噪聲對A/D的影響，在2 kHz進行A/D轉換時，采用了A/D轉換芯片自帶的過采樣技術。當2 kHz的采樣率采集滿20個數據后，求取這20個數據的平均值，作為本次導航計算用的3個軸向的加速度信息(100 Hz)。得到導航計算用加速度信息的同時，微控制器向光纖陀螺發出觸發電平，使其通過串口輸出數字化的角速率信息由擴展的串口芯片接收。當控制器讀取接收到的3個軸向的角速率信息后，判別是否有更新的GPS導航信息，若有，更新GPS信息。最后以DMA方式通過控制器的串口輸出打包后的數據采集信息。

圖4　定時器中斷服務

3．3外部中斷函數與串口中斷函數

控制器通過判斷中斷信號來源確定擴展的哪個UART完成了數據接收，從而確定讀取的數據來源于哪個光纖陀螺。隨后將接收到的數據存于相應的內存空間，直到接收完所有通道的數據后，改變標志變量，表示三個軸向的陀螺輸出數據已接收完成。陀螺接收流程如圖5所示。

微控制器通過芯片內嵌的UART接收GPS接收機輸出的信息，通過按序查找字符“MYM GPGGA”發現信息的幀頭，然后按照幀格式讀取幀中數據并存儲。

圖5　陀螺數據接收流程

4　系統測試

設計完成的數據采集單元如圖6所示。

對設計完成的數據采集單元的測試，主要包括2個部分:一是3個通道的模擬信息的采集;二是數字信息的獲取及所有采集信息的發送。

圖6　數據采集單元實物

結合應用背景，對3個通道的模擬信息采集的性能評估是這樣進行的:將AD7609的3個A/D轉換通道的差分模擬輸入端短接，然后采集1 h數據。由于A/D轉換器是以2 kHz進行A/D轉換然后平滑到100 Hz的，因此，將AD7609輸出的18 bit A/D轉換結果擴展為32 bit，圖7中所示的是縱坐標為32 bit二進制表示時100 Hz采樣率下3個通道1 h采集到的碼值。由這些采樣數據計算得到的1 Hz 下3個通道的采集數據的1σ統計值，如表2所示。表中表征測量噪聲水平的1σ/232的最大值為8．8× 10－8，等價于8．8×10－8×(10－(－10) ) gn= 1．76 μgn。顯然優于待測加速度計1σ偏置穩定性為50 μgn的性能指標(加速度計性能指標中的偏置穩定性定義為1 Hz采樣率下1 h采集數據的1σ統計值)。即設計完成的數據采集單元中的三通道模擬信號采集的噪聲水平比待測加速度計的噪聲水平低1～2個數量級，滿足設計要求。

在此基礎上，在數據采集單元的3個模擬量輸入通道接入3只某型石英撓性加速度計，100 Hz采樣率下3個通道1 h采集到的加速度值如圖8所示。1 Hz平滑后的1σ偏置穩定性分別為57．8 μgn、39．5 μgn和43．9 μgn。

圖7　輸入端短路時3個通道1 h測試采樣值(@ 100 Hz)

圖8　3只石英撓性加速度計1 h測試采樣值(@ 100 Hz)

表2　3通道數據采集噪聲測試

對于數據采集單元中的三軸陀螺信號采集及其他串行通信接口，也進行了單獨測試，并完成了系統總體調試，各部分均能按照設計的時序正常工作。由于此部分調試僅涉及數字信息傳輸而不涉及測量精度問題，因此不再列出具體的測試數據等細節。

5　結語

針對衛星/慣性組合導航系統對數據采集單元提出的設計要求，設計了一種結構簡單、通用性好、功耗低的數據采集單元。測試表明，設計完成的數據采集單元能實現對加速度計模擬輸出的采集與光纖陀螺、GPS接收機數字輸出信息的接收，采集到的數據能可靠地通過UART傳送給導航計算機進行導航解算。當采集單元中的AD7609替換成24 bitΣ－Δ型ADC時，文中介紹的數據采集單元可以在其他特性不變的前提下實現由更高精度的加速度計組成的衛星/慣性組合導航系統的數據采集。

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楊宗霖(1983－)，男，漢族，山東招遠人，南京理工大學計算機學院學士，主要研究方向為計算機應用技術，13910847606@ 139．com;

張浩峰(1983－)，男，漢族，江蘇淮安人，副教授，博士，研究方向為智能機器人、計算機視覺，zhanghf@ njust．edu．cn。

Design and Realization of the Telemetry System of Various Instruction Signals

ZHANG Huixin*，ZHANG Fengying，MA Rui，CUI Lijie
(National Key Laboratory For Electronic Measurement Technology，Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China)

Abstract:Aimed at test for the working status of aircraft accurately，a telemetry system was designed，which can provide various types of instruction signals．The logic control was completed by FPGA，and through Ethernet to communicate with the host computer，the speed of it can be 40 Mbit/s．On the basis of communication protocol combining with peripheral hardware，test parameters are provided for aircraft．The experimental results proved that the range of charged instruction signals produced by this system is stable，and the respond of non-charged instructions is accurate．This system has the advantages of reliability and interchangeability，which occupies a powerful practicality．

Key words:electric circuit; telemetry system; FPGA; Ethernet; W5300; instruction signals

doi:EEACC: 1230; 6210J10．3969/j．issn．1005－9490．2015．02．045

收稿日期:2014－11－24修改日期: 2014－01－04

中圖分類號:TN962

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015) 02－0452－06