慣導信息數據采集系統的設計與實現*

程榮濤 傅 軍

(1.海軍駐武漢四三八廠軍事代表室 武漢 430060)(2.海軍工程大學 武漢 430033)

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慣導信息數據采集系統的設計與實現*

程榮濤1傅 軍2

(1.海軍駐武漢四三八廠軍事代表室 武漢 430060)(2.海軍工程大學 武漢 430033)

論文針對目前慣導系統數據采集電路的各個功能電路需要使用分立元件進行實現,電路的體積通常都比較大,電路的期間和布線也比較多,不利于保證數據采集電路可靠性的現狀,基于CPLD和DSP構建了小型嵌入式光纖陀螺數據測試系統,應用于某單軸旋轉光纖陀螺捷聯慣導系統中。通過實驗,驗證了論文構建的數據測試系統的有效性和準確性。

慣性導航系統; CPLD; DSP; 數據采集

Class Number TN929.3

1 引言

目前,慣性導航系統信息數據采集電路的研究主要集中在應用新型的數字信號處理芯片和儀表信號的誤差補償技術兩個領域[1]。

過去,慣導系統數據采集電路的各個功能電路需要使用分立元件進行實現[2],電路的體積通常都比較大,電路的期間和布線也比較多,不利于保證數據采集電路的可靠性。另外,個別功能電路設計的更改,需要整個電路的重新設計和制作,既增加了電路的研究成本,又浪費了研究人員寶貴的設計時間。本文將CPLD、DSP等器件應用在慣導信息數據采集系統中,取得了較好的效果。

2 陀螺儀和加速度計外圍電路設計

根據陀螺和加速度計數據采集和測試需求,將采集電路系統分為CPLD脈沖采集系統、DSP數據處理系統、加速度計溫度AD采樣系統、上位機系統[3]。系統結構如圖1所示。

光纖陀螺測量的角速度信息以角增量的形式輸出,信號根據內部電路轉化為脈沖信號,而加速度計測量的加速度信息為電流輸出,屬于模擬量,因此需通過相應的I/F轉換電路轉換為脈沖信號[4]。基于CPLD的邏輯電路可以實現對陀螺和加速度計脈沖信號的同時采集。光纖陀螺的溫度信號由內置的溫度傳感器18B20輸出,數據為數字量,因此可用系統DSP芯片進行讀取。加速度計的溫度信號由內置的溫度傳感器以電流形式輸出,因此需通過搭建外圍溫度采集電路實現信號的采集[5]。隨DSP含有A/D轉換接口,但其轉換精度有限,加速度計的溫度信號屬于微弱信號,因此構建了基于Analog Device公司的AD7738芯片,實現溫度的A/D采樣。AD7738與DSP之間通過增強型串口實現通訊和采樣。DSP將采集的光纖陀螺和加速度計的信號輸出、溫度輸出信息通過通用串口形式與上位機通訊,上位機通過相應的軟件實現數據的采集和存儲。

圖1 系統總體結構框圖

光纖陀螺屬于中高精度慣性器件,因此對DSP的運算速度和精度要求較高,同時考慮到慣性器件的溫度敏感性,要求芯片具有較小的功耗。綜合上述因素以及微處理器的外圍擴展電路需求,選擇TI公司C2000系列的TMS320F28335芯片。該芯片具有150MHz的高速處理能力,32位浮點處理單元。與以往的定點DSP相比,該器件具有精度高,成本低,功耗小,性能高,外設集成度高,數據以及程序存儲量大等優點。它采用內部1.9V供電,外部3.3V供電,因而功耗大大降低[6]。

芯片具有88個可編程的復用GPIO引腳,完全滿足系統測試的接口需求。芯片具有3個32位的定時器,定時器0和定時器1用作一般的定時器,定時器0接到PIE模塊,定時器1接到中斷INTl3;定時器2用于DSP/BIOS的片上實時系統,連接到中斷INTl4,能夠滿足系統和外設的時鐘需求。同時具有2通道CAN模塊、3通道SCI模塊、2個MCBSP(多通道緩沖串行接口)模塊、1個SPI模塊、1個主從兼容的串行總線接口模塊的串行外設,為系統與外設提供了豐富的數據通訊模式[7]。

首先進行TMS320F28335的最小系統設計,判斷芯片各種功能是否滿足光纖陀螺IMU的測試需求。最小應用系統包括復位電路,時鐘電路、電源及存儲器等。TMS320F28335具有片上Flash,0TPROM及SARAM存儲器,在設計最小應用系統時無需考慮外部存儲器接口問題[8]。

1) 復位電路的設計

復位電路采用上電復位,由電源器件給出復位信號。電源上電后,系統便處于復位狀態。當XRS為低電平時,DSP復位。為使DSP初始化正確,應保證XRS為低電平并至少保持三個CLKOUT周期。同時在上電后,該系統的晶體振蕩器一般需要100ms～200ms的穩定期。所選的電源器件TPS73HD318加電,其輸出電壓緊隨輸入電壓,當輸出電壓達到啟動RESET的最小電壓時(溫度為25℃時,其電壓為1.5V),引腳RESET輸出低電平,并且至少保持200ms,從而滿足復位要求。

2) 時鐘電路的設計

將外部時鐘源直接輸入X2/CLKIN引腳,X1懸空,采用已封裝晶體振蕩器為系統提供時鐘。外部晶體的工作頻率為30MHz。TMS320F28335內部具有一個可編程的鎖相環,可根據所需系統時鐘頻率對其編程設置[9]。

3) JTAG仿真接口

TMS320F28335具有符合IEEEll49.1標準的片內掃描仿真接口(JTAG),該接口通過仿真器直接訪問,為了能與仿真器通信,所設計的最小系統板上應有14引腳的仿真接口,其中的EMU0和EMUl信號必須通過上拉電阻連接至電源,其中上拉電阻為4.7kΩ。

4) 供電電路

由TMS320F28335組成的應用系統內核電壓(1.9V)與I/O供電電壓(3.3V)不同,電源部分利用兩路輸出電源器件TPS73HD318來實現,如圖2所示。在輸入端接入0.1μF的貼片電容,具有濾除噪聲,提高響應速度。輸出端接入33μF的固體鉭電容接地,可有效保證滿載情況下的穩定性[10]。TPS73HD318提供兩路電壓為1.9V和3.3V的輸出,給DSP系統供電。

CPLD芯片選用Altera公司的EPM1270芯片,其最小系統包含供電電路、復位電路,接口電路和時鐘電路。CPLD采用3.3V供電,同時在電源輸入端接入0.1μF的貼片電容濾波去噪。復位電路采用上電復位,由電源器件給出復位信號,同時在復位端接入一下拉電阻。為了能與仿真器通信并訪問CPLD內存,系統應具有10引腳的仿真接口,其中TMS和TDI信號通過10KΩ上拉電阻連接至電源。采用已封裝的30MHz晶體振蕩器為系統提供時鐘,將其直接輸入CPLD的CLKIN引腳。

圖2 DSP供電電路

EPM1270芯片內部集成了1000個基本邏輯門,具有144個引腳,其中28個引腳為電源或編程引腳,其余116個引腳為可編程引腳。當需要增加新的邏輯功能時,只需改變片內程序,而不必改動硬件電路。EPM1270芯片具有高速的邏輯處理能力,可基于Quartus軟件開發環境,使用VHDL語言可對CPLD內部邏輯進行編程。以DSP的信號輸出為中斷源,通過對CPLD內部電路進行邏輯設計對輸入的脈沖信號進行判斷計數,將固定時間內的脈沖信號數以數字信號的形式通過I/O發送到DSP,實現光纖陀螺IMU中脈沖信號的計數。

加速度計的I/F轉換電路采用航天科工慣性技術有限公司的加速度計專用I/F轉換電路板。該板采用5V電源供電,同時需接入±15V電源給加速度計供電。輸入信號為三個軸向加速度計的感應的加速度電流信號,輸出為轉換后的脈沖信號。轉換結果包括6路脈沖,分別對應三個軸向加速度計的正負方向加速度大小。

I/F轉換板的量程為±10mA,而加速度計的標度因數為1.6mA/g,I/F轉換板的最大輸出頻率為256KHz,由此可得到I/F轉換板的轉換加速度的最小分辨率為50。

加速度計的內置溫度傳感器為模擬傳感器,其溫度信號以電流形式輸出,為此設計了相應的溫度信號A/D轉換電路實現溫度信息的采集。AD7738的具有24位模數轉換精度,非線性度達到0.0015,最多支持8通道轉換,最高采樣速率為15KHz。同時,用戶可以通過需求自定義其輸入范圍以提高采樣分辨率。AD7738具有SPI、QSPI、MICROWIRE數據接口,可與DSP實時通訊。基于高精度可編程的A/D轉換芯片AD7738構建了加速度計溫度采樣電路,其管腳電路連接如圖3所示。

圖3 溫度信號A/D轉換電路

模擬和數字部分分開供電和接地,以減小電路間干擾。芯片通過MCLKIN和MCLKOUT與外部6.144M晶振連接為其通過主時鐘信號。AIN0-AIN7為8通道轉換的模擬信號輸入。芯片通過CS、SCLK、RDY、DIN、DOUT信號端與DSP通訊以實現溫度采集。其中,CS為片選信號,低電平有效,SCLK為DSP提供的時鐘信號,RDY信號為ADC完成數模轉換的邏輯輸出,DIN為DSP進行AD7738儲存器讀寫操作的輸入信號,而DOUT為溫度轉換結果。通過DSP編程對其存儲器進行相應的讀寫可完成多通道的連續數模轉換,其轉換和數據讀寫時序如圖4所示。

圖4 溫度采集時序

5) 通訊電路

DSP完成數據采集后,將采集的陀螺和加速度計的數據以ASCII碼的形式通過RS-232串行接口發送到上位機中。上位機利用設計的數據采集軟件實現數據的接收、解碼和儲存等相關處理。

3 采集軟件設計與實現

DSP完成數據采集后,將采集的陀螺和加速度計的數據以ASCII碼的形式通過RS-232串行接口發送打數據采集計算機中。采集計算機基于LabVIEW的圖形化編程語言實現數據的接收、解碼和儲存等相關處理。

上位機通過RS-232串行接口接收數據采集DSP發送的陀螺和加速度計數據,基于LabVIEW的圖形化編程語言設計了光纖陀螺IMU數據測試軟件,界面如圖5所示,實現了光纖陀螺和加速度計的輸出信息、溫度信息的接收、解碼和存儲。

圖5 IMU測試系統軟件界面

數據采集DSP將采集的陀螺和加速度計數據通過一定的協議以ASCII碼的形式編碼、傳輸,上位機接收數據后根據通訊協議進行相應解碼后存儲。IMU數據為變化量,因此得每次發送信息并不是固定字長,在LabVIEW中,進行串口讀寫控件均為固定字長的讀取,為了保證數據解碼的準確性和實時性,因根據接收的固定字長ASCII碼進行設計相應的解碼算法。利用通過對數組進行字頭字符串和回車符索引實現了不固定字長數據的分條讀取和解碼。同時,數據在傳輸硬件通訊過程中,可能出現數據誤碼現象,因此在進行串口讀取后,應對數據傳輸進行誤碼檢測,剔除亂碼。

4 實驗測試

圖6 陀螺和加速度計輸出數據

基于上述最小系統和外圍電路的設計,構建了小型嵌入式光纖陀螺數據測試系統,應用于某單軸旋轉光纖陀螺捷聯慣導系統中。系統電路板固定在旋轉軸上,三個軸向的光纖陀螺和加速度計的輸出和溫度信號通過系統電路板進行采集,測試數據通過RS-232接口與外部計算機通訊,從而實現了光纖陀螺IMU的信號和溫度信息的采集。陀螺和加速度計通電后,利用構建的系統進行了IMU靜態條件下的多次測試試驗。測試時,IMU的Z軸陀螺軸向下,水平陀螺方位角任意,數據采集時間3.5小時,采樣間隔為0.01s。其中圖6為三軸陀螺和加速度計輸出進行1s平均的結果,圖7三軸陀螺和加速度計通電工作后的溫度變化。

圖7 光纖陀螺IMU溫度輸出

5 結語

在IMU通電工作后,其慣性器件溫度升高,其信號受溫度影響。利用多次測試數據,扣除穩定工作前數據、重力加速度和地球自轉分量,進行了陀螺和加速度計主要指數指標計算。計算結果與器件出產參數比較,器件精度處于一個數量級(陀螺和加速度計指標受逐次、逐日重復性的限制不可能完全相同),驗證了本文構建的數據測試系統的有效性和準確性。

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Design and Realization of Inertial Navigation Information Data Acquisition System

CHENG Rongtao1FU Jun2

(1. Navy Representative Office in Wuhan 438 Factory, Wuhan 430060) (2. Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

At present, each functional circuit of data acquisition system needs discrete components to realize its function circuits are usually bulky, and wiring and duration are much unhehp for maintaining the reliability of data acquisition circuit. Based on CPLD and DSP, a small embedded data test system based on fiber optic gyroscope is constructed, and applied in a single axis fiber optic gyroscope strapedown inertial navigation system. The experiment proves the effectiveness and accuracy of data testing system.

inertial navigation system, CPLD, DSP, data acquisition

2015年3月2日,

2015年4月27日

程榮濤,男,碩士,工程師,研究方向:導航系統工程。傅軍,男,博士,講師,研究方向:導航系統工程。

TN929.3

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.027