POS系統中數據存儲電路的設計與實現

摘 要： 針對POS系統對存儲電路的特殊要求，以高性能32位ARM內核微處理器STM32作為核心控制器，高速大容量SD卡作為存儲介質，利用CAN，RS 422，RS 232等多種外部通信接口，設計一種能夠實時記錄POS系統工作數據和工作狀態的數據存儲系統，最終實現了對IMU原始數據、GPS導航數據和POS實時導航數據的透明存儲。

關鍵詞： POS； STM32； SD卡； 串行通信； 數據存儲

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）10?0109?04

Design and implementation of data memory circuit in POS

SU Kun， ZHU Zhuangsheng

（Beijing University of Aeronautics and Astronautics， Beijing 100191， China）

Abstract： In order to meet the special requirement of memory circuit in POS （position and orientation system）， a data storage system was designed， which can record the POS working data and working condition in real time. It takes high?performance 32?bit ARM core?microprocessor STM32 as the core controller， high?speed and large?capacity SD card as the storage medium， and CAN， RS422 and RS232 as the external communication interfaces. The circuit can realize the transparent storage of IMU raw data， GPS navigation data and POS real?time navigation data.

Keywords： POS； STM32； SD card； serial communication； data storage

0 引 言

高精度位置姿態測量系統（Position and Orientation System，POS）由慣性測量單元（IMU）、全球定位系統（Global Position System，GPS）和POS計算機（POS Computer System，PCS）以及后處理軟件組成[1]。POS既是航空對地觀測系統完成軍事偵察、軍事測繪等任務必不可少的關鍵裝備，也是解決人類面臨的資源緊缺、環境惡化、災害頻發等一系列重大問題的現代戰略高技術手段[2]。利用IMU原始數據和GPS原始數據進行POS系統后處理是提升整個系統輸出精度的關鍵手段，也是各類載荷高精度位置姿態的可靠基準[3]，而數據存儲單元是POS系統后處理的數據來源；此外，利用存儲單元記錄的POS實時導航數據，可以對POS系統的故障進行分析，便于及時發現并處理系統運行過程中的種種問題，有利于提高整個系統的可測試性。

存儲技術歷經多年發展，已經從原始的磁帶記錄逐步過渡到光盤記錄和目前的半導體存儲器[4]。POS系統屬于機載設備，一般工作于高低溫變化大，電磁干擾嚴重，振動沖擊大的復雜環境下，這就要求存儲電路必須能承受寬溫度范圍，工作于復雜電磁環境且有良好的抗沖擊性能。POS系統經常和各類載荷安裝在一起工作，為減小安裝平臺的負擔，POS系統的體積、重量和功耗都有嚴格的限制。為了達到與各類載荷進行通信的目的，POS系統應具有多種通信接口，如CAN，RS 422和RS 232等，POS存儲電路要接收POS系統的各項數據就必須融合上述多種通信接口。此外，POS系統工作的實時性很高且工作時間較長，因此POS存儲電路必須速度快，容量大。半導體存儲器相對于其他存儲器，體積更小，功耗更低，速度快，存儲容量大且能工作于惡劣環境，而嵌入式微處理器的飛速發展也大大提高了半導體存儲器的存儲速度。因此，本文設計了一種基于STM32硬件平臺的高速POS存儲電路[5]，實現對POS系統各項工作數據的實時存儲。

1 POS系統結構概述

POS系統的組成框圖如圖1所示。

慣性測量單元IMU通過三支陀螺儀和三支加速度計實時采集觀測載荷的角運動和線運動信息，利用內置的溫度傳感器采集陀螺儀和加速度計的溫度信息，并經過預處理后發送給PCS進行捷聯解算；GNSS預處理模塊接收GNSS基站和流動站的衛星導航信號，進行差分處理后發送給PCS；INS/GNSS實時融合處理模塊將捷聯解算后的數據和GNSS差分后的數據進行分析，一部分實時輸出給載荷作為位置和姿態基準，另一部分發送給數據存儲單元作為后處理的數據源[6]。POS實時定位定姿信息的精度往往達不到各類載荷高清成像的要求，因此實時任務完成后，必須采用后處理軟件對采集存儲的IMU，GNSS信息進行后處理，以獲取高精度位置、速度和姿態信息，確保各類載荷成像質量。

由此可見，POS系統的后處理能有效提升整個系統的輸出精度，為各類載荷提供更高精度的位置姿態基準，而數據存儲單元能存儲POS后處理所需的所有原始信息，此外，存儲單元能透明地記錄POS系統飛行過程中的所有數據，其作用相當于飛機當中的黑匣子，便于用戶進行事后故障分析，為此給出了POS存儲系統的設計。

2 POS數據存儲電路總體設計

2.1 總體結構設計

數據存儲系統主要完成數據的采集、數據的存儲和數據發送。為了給各類載荷提供實時的位置姿態基準，POS系統的數據更新率必須很高，目前已達到200 Hz，PCS向載荷發送數據的波特率高達460 800 b/s，這就要求存儲電路具有高速的通信接口和中央控制器。CAN總線和RS 422總線的最高波特率能高達1 Mb/s和10 Mb/s，完全能接收PCS高速輸出的數據，此外CAN和RS 422均采用差分信號進行傳輸，能保證數據傳輸的可靠性，在電路的設計中增加RS 232接口，能提高整個存儲電路的通用性。以高速ARM控制器作為存儲系統的核心控制芯片是最好的選擇，其運行速度快，核心頻率可超過100 MHz；具有CAN，USART和SPI等豐富的外設，只需對它們進行簡單的編程即可完成數據的收發，利用高速SD卡作為ARM控制器的外部存儲器，可輕松實現數據的快速存儲，整個存儲系統的結構圖如圖2所示。

圖2中IMU原始數、GPS原始數和POS導航數據分別通過RS 422接口、RS 232接口和CAN總線接口傳送至STM32最小系統，STM32芯片以DMA中斷的方式將接收的數據緩存至內部RAM區，利用其自身的SPI接口驅動SD卡，將接收的數據按照FAT32文件系統的格式以文本文件的形式存入SD卡。為方便用戶讀取SD卡存儲的原始數據信息，本文設計了通用的USB讀卡器模塊，USB讀卡器芯片內部集成了文件系統功能，只需要簡單的外部電路連接即可實現與計算機的USB通信，不僅降低了電路成本，而且提高了整個系統的可靠性。

3 系統軟硬件實現

3.1 系統電源模塊

POS系統是航空遙感領域一個必不可少的部分，在實際應用中對POS系統的體積和功耗有非常嚴格的要求。存儲電路作為POS系統的重要組成部分，其功耗和體積應盡可能的降低。因此本文所選用的器件工作電壓均為3.3 V，器件封裝均采用貼片式。POS存儲電路系統電源模塊設計圖如圖3所示，飛機輸出的航空標準電源電壓28 V經過二次電源模塊的轉換后變為5 V，二次電源模塊選用西安偉京電子生產的28to5DC?DC模塊。為了滿足POS存儲電路的工作電壓要求，必須設計電源轉換模塊將系統的5 V電壓轉換為存儲電路所需的3.3 V工作電壓。根據POS的特殊工作環境，POS存儲電路的電源應該具有較高的可靠性，能輸出3.3 V的穩定電壓，電源的穩定性要好，紋波電壓小且輸出功率足夠大[7]。本文選用TI公司的TPS75201，這款芯片的工作溫度范圍寬（-55～125 ℃），輸入電壓承受范圍寬（-0.3～13.5 V），輸出功率大（輸出電流高至2 A），芯片體積小且散熱性能好。

3.2 數據采集模塊

數據采集電路是整個存儲電路的最前端，它接收來自導航計算機的IMU原始數、GPS原始數和實時導航數據。本文設計了CAN接口、RS 422接口和RS 232接口，它們與STM32單片機的物理層電路設計圖如圖4所示。其中CAN和RS 422均采用差分信號進行傳輸[8]，能保證數據傳輸的可靠性，RS 232接口能和PC機進行實時通信，將存儲電路的工作狀態實時報告給上位機。

5 結 語

研制高精度位置姿態測量系統，提高各類航空遙感載荷的成像精度，對增強我國國防實力具有重要意義。而POS數據存儲系統是高精度位置姿態測量系統中必不可少的部分。本文從系統結構和軟、硬件實現兩方面給予了分析設計，最終實現了穩定的POS數據存儲系統，保證POS后處理工作正常進行，促進了我國航空遙感事業的快速發展。

參考文獻

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