一種捷聯(lián)慣組測溫通訊軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

衛(wèi) 瑞，康 冰，趙 琳，董彥維，任 馳

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

一種捷聯(lián)慣組測溫通訊軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

衛(wèi) 瑞，康 冰，趙 琳，董彥維，任 馳

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

設(shè)計的測溫通訊軟件可實現(xiàn)多點溫度數(shù)據(jù)的實時采集和濾波，保證寬溫域的溫度測量精度，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量多路數(shù)據(jù)通訊，實時性地周期接收GpS定位和導(dǎo)航數(shù)據(jù)，快速準(zhǔn)確接收星歷信息。軟件設(shè)計了一種合適的程序流程，采用算術(shù)平均結(jié)合滑動平均濾波的方法，實現(xiàn)對溫度信號的解算、去噪消抖；使用基于循環(huán)隊列技術(shù)的數(shù)據(jù)采集模式，實時準(zhǔn)確接收串口數(shù)據(jù)。經(jīng)應(yīng)用驗證：測溫通訊軟件測溫重復(fù)性精度高于0.05 ℃，能夠及時、準(zhǔn)確地向火控計算機發(fā)送組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)，滿足2 s內(nèi)連續(xù)接收處理幾千字節(jié)星歷數(shù)據(jù)不丟數(shù)據(jù)的客戶需求，為激光捷聯(lián)慣組進行溫度補償、數(shù)據(jù)融合和對外信息交互提供途徑。

寬溫域；滑動平均濾波；數(shù)據(jù)融合；循環(huán)隊列

0 引 言

1 測溫通訊軟件

隨著捷聯(lián)慣組產(chǎn)品的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，滿足客戶多樣化的需求成為目前工作的重點。適用于現(xiàn)場總線控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controller area Network, caN）接口的通訊方式、融合GpS信息的組合導(dǎo)航方式、實現(xiàn)寬溫域范圍內(nèi)的導(dǎo)航精度穩(wěn)定是一種普遍需求[1]。設(shè)計一款滿足以上需求的通用產(chǎn)品，對提升激光捷聯(lián)慣組的競爭力具有重要意義。

本文提出一種捷聯(lián)慣組測溫通訊軟件設(shè)計方案，該方案的工程實現(xiàn)與應(yīng)用滿足了捷聯(lián)慣組在寬溫域應(yīng)用環(huán)境下的精密溫控[2]或溫度補償需求，擴展了捷聯(lián)慣組在發(fā)射車或彈體應(yīng)用時的通訊方式，提高了捷聯(lián)慣組長時間的定位精度。

測溫通訊軟件以某型號激光捷聯(lián)慣組應(yīng)用為需求牽引，利用英飛凌公司（Infineon）的Xc164的片上功能，主要有以下功能：

a）寬溫域范圍內(nèi)多點溫度數(shù)據(jù)[3]的采集和濾波，以1 Hz的頻率將處理后的溫度數(shù)據(jù)通過RS422串口實時發(fā)送到主控板進行慣性器件的溫度補償；

b）以10 Hz的頻率接收處理主控板發(fā)送的導(dǎo)航信息以及GpS接收板傳送的定位信息，將信息融合后通過caN接口實時發(fā)送到火控計算機；

c）接收到火控計算機要求星歷數(shù)據(jù)的指令后，向GpS接收板請求發(fā)送星歷，并通過串口接收三千多字節(jié)的星歷數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶要求打包星歷信息后通過caN接口發(fā)送到火控計算機。

測溫通訊軟件在測溫通訊板上運行，其與主控板、GpS接收板、火控計算機和慣性測量單元（Inertial Measure Unit, IMU）組件的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測溫通訊軟件結(jié)構(gòu)

測溫通訊軟件具有以下特征：

a）實時工作情況下，需要對信息做出足夠快的反應(yīng)；

b）大數(shù)據(jù)量的星歷信息，應(yīng)能在5 s內(nèi)準(zhǔn)確完成轉(zhuǎn)發(fā)功能；

c）不帶操作系統(tǒng)，全部軟、硬件資源的分配、調(diào)度、控制和協(xié)調(diào)均靠軟件實現(xiàn)。

2 測溫通訊軟件的設(shè)計

2.1 軟件結(jié)構(gòu)

測溫通訊軟件完成的功能包括：上電初始化、溫度傳感器模數(shù)（analogous digital, ad）采集、對主控板的通訊數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收（RS422串口）、對GpS接收板的通訊數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收（RS232串口）、火控計算機指令的處理與響應(yīng)（caN接口）。

軟件由主程序、定時器中斷模塊、程序初始化模塊、隊列處理模塊、ad采集模塊、caN接口配置模塊、caN接收及發(fā)送模塊、GpS數(shù)據(jù)接收模塊、GpS信號處理模塊、主控板數(shù)據(jù)處理模塊、溫度梯度計算模塊、溫度信號濾波處理模塊、溫度數(shù)據(jù)發(fā)送模塊等軟件單元組成。

a）主程序模塊是整個軟件的入口程序，協(xié)調(diào)整個軟件的工作流程和工作時機；

b）定時器中斷模塊在1 ms定時中斷觸發(fā)后進行ad信號的數(shù)據(jù)采集；

c）程序初始化模塊設(shè)置單片機程序運行時的初始環(huán)境、溫度修正參數(shù)的讀取；

d）隊列處理模塊完成循環(huán)隊列的初始化、入隊、出隊等操作；

e）ad采集模塊采集100次指定通道的ad采集值并對其取平均值；

f）caN接收及發(fā)送模塊接收火控計算機指令，根據(jù)指令要求完成處理后向火控計算機發(fā)送響應(yīng)指令；

g）GpS數(shù)據(jù)接收模塊接收GpS接收板通過RS232串口向測溫通訊板發(fā)送的數(shù)據(jù)；

h）GpS信號處理模塊判斷接收的GpS數(shù)據(jù)是否符合GGa格式，校驗通過則進行相應(yīng)信息的解算，否則不做處理；

i）主控板數(shù)據(jù)處理模塊接收主控板的數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)解析；

j）溫度梯度計算模塊根據(jù)采集的溫度進行溫度梯度的計算；

k）溫度信號濾波處理模塊進行溫度及溫度梯度數(shù)據(jù)的滑動平均濾波處理；

l）溫度數(shù)據(jù)發(fā)送模塊向主控板定時發(fā)送處理后的溫度及溫度梯度數(shù)據(jù)。

2.2 軟件接口及數(shù)據(jù)

計算機軟件配置項（computer Software configuration Item, cScI）外部接口如圖2所示，外部接口系統(tǒng)定義如表1所示。

圖2 cScI外部接口

表1 外部接口系統(tǒng)定義

cScI數(shù)據(jù)流圖如圖3所示，反映了數(shù)據(jù)流的方向及過程中進行的處理。

圖3 cScI數(shù)據(jù)流圖

2.3 軟件流程設(shè)計

測溫通訊軟件主程序流程如圖4所示。

圖4 軟件主程序流程

測溫通訊軟件完成變量和函數(shù)初始化功能后，進入主循環(huán)查詢有無接收到星歷接收標(biāo)識（SatRxflag），若沒有接收到火控計算機的請求星歷要求，則定時采樣溫度數(shù)據(jù)、GpS接收板發(fā)送的定位數(shù)據(jù)、主控板發(fā)送的導(dǎo)航信息，并根據(jù)火控計算機的指令判斷是否發(fā)送相應(yīng)的信息；若接收到請求星歷要求，則在主循環(huán)中關(guān)閉定時器中斷，向GpS接收板發(fā)送請求星歷的指令、然后接收、處理星歷信息，并通過caN接口向火控計算機發(fā)送星歷信息。

其中，對于SatRxflag的設(shè)定，程序初始化完成后將SatRxflag置1，進入主循環(huán)中先檢測SatRxflag是否為1，如果為1則進入if(SatRxflag==1)分支處理，期間如果caN通道接收到請求星歷指令，SatRxflag將被置為0，但是不會立即跳出該分支，直至完成溫度函數(shù)發(fā)送后結(jié)束；如果SatRxflag為0則進入星歷數(shù)據(jù)處理分支if(SatRxflag==0)，處理接收到的星歷數(shù)據(jù)，處理結(jié)束后將SatRxflag置1，然后返回主循環(huán)繼續(xù)執(zhí)行。2.4 軟件的優(yōu)化設(shè)計

軟件設(shè)計上采用以下方法優(yōu)化設(shè)計：

a）用中斷替代查詢。測溫通訊軟件使用定時中斷、caN接口接收中斷、caN接口發(fā)送中斷、串口發(fā)送中斷等，定時中斷1 ms作為定時時基，1 ms定時到則采集溫度數(shù)據(jù)，10 ms定時到則接收、處理GpS接收板和主控板的數(shù)據(jù)，串口發(fā)送中斷將溫度數(shù)據(jù)和其他指令發(fā)送到GpS接收板和主控板，caN接口接收中斷和發(fā)送中斷實現(xiàn)與火控計算機的信息交互。若所有中斷響應(yīng)完成，則不進行任何操作，一方面保證了火控計算機指令的及時響應(yīng)，另一方面避免了查詢方式的中央處理器（central processing Unit, cpU）反復(fù)對輸入/輸出端口（Input/Output, I/O）寄存器進行訪問而損失額外的功耗。用定時器定時代替延時子程序定時，在每個時間段上分配相應(yīng)的工作，避免了毫無實際意義的空操作指令，減輕了cpU的工作量[4]。

b）中斷優(yōu)先級的合理安排。測溫通訊軟件有定時中斷、caN接收中斷、caN發(fā)送中斷等多個中斷源。根據(jù)客戶需求caN接收外部指令最為關(guān)鍵，在設(shè)計中斷優(yōu)先級時將caN接收中斷設(shè)為最高，定時中斷次之，其次串口發(fā)送中斷，caN發(fā)送中斷的優(yōu)先級最低。

3 關(guān)鍵軟件技術(shù)的實現(xiàn)

3.1 數(shù)字濾波處理

由于外界存在隨機干擾（外部環(huán)境干擾、噪聲干擾等），需對溫度信號進行連續(xù)多次采樣，然后求其算術(shù)平均值作為有效采樣數(shù)據(jù)，以達(dá)到抑制隨機干擾的效果。一般情況下連續(xù)采樣次數(shù)越多，抑制隨機干擾的效果越好[5]。但對于寬溫域范圍內(nèi)的測溫系統(tǒng)，要保證測溫的實時性，不能無限增加采樣次數(shù)，因此可采用算術(shù)平均和滑動平均濾波相結(jié)合的方法處理采樣溫度值[6]。

算術(shù)平均濾波以1 ms的溫度采樣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對1 s內(nèi)的1 000組溫度數(shù)據(jù)計算其平均值。為避免大數(shù)據(jù)占用隨機存取存儲器（Random access Memory, RaM）空間過大，在軟件實現(xiàn)上先對每10 ms的數(shù)據(jù)進行均值處理，再將100個10 ms的均值再次平均得到1 s內(nèi)的溫度平均值。

滑動平均濾波的數(shù)學(xué)描述為

式中 xn-m+1～xn共m個采樣值為當(dāng)前滑動窗口中包含的數(shù)據(jù)樣本；yn為第n次采樣后滑動平均濾波算法的輸出結(jié)果。

綜合比較多臺捷聯(lián)慣組的溫度補償效果，結(jié)合可用的單片機RaM存儲空間大小，最終設(shè)定m=30。軟件實現(xiàn)上先設(shè)置一個長度為30的數(shù)組，當(dāng)n＜30時，計算n次的溫度算術(shù)平均值作為輸出；當(dāng)n≥30時，取最近30 s的溫度數(shù)據(jù)算術(shù)平均值作為輸出。

通過算術(shù)平均濾波抑制子采樣周期內(nèi)的隨機干擾，滑動平均濾波進一步抑制隨機干擾并保證采樣的實時性，按此方法處理后測溫的重復(fù)性精度高于0.05 ℃，為建立正確的慣性器件溫度模型提供了支撐。

3.2 基于循環(huán)隊列技術(shù)的數(shù)據(jù)采集

隊列即普通的順序隊列，是一種先進先出的線性表，它只允許在表的一端進行插入，而在另一端刪除元素。由于被刪除結(jié)點（出隊結(jié)點）的空間永遠(yuǎn)不能使用，使用順序隊列會出現(xiàn)“假上溢”。為克服假上溢，測溫通訊軟件串口接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)采用循環(huán)隊列進行處理[7]。循環(huán)隊列是將順序隊列設(shè)想為一個首尾相接的圓環(huán)，即數(shù)組首字節(jié)（data[0]）接在數(shù)組尾字節(jié)（data[maxsize-1]，maxsize為數(shù)組長度）之后，當(dāng)尾指針指向數(shù)組的上界（maxsize-1），再作入隊操作時，令尾指針指向數(shù)組的下界（0），這樣就能克服假上溢現(xiàn)象。

測溫通訊軟件對循環(huán)隊列的隊空與隊滿情況區(qū)分采用少用一個結(jié)點空間，即頭指針指向的空間不使用的辦法。循環(huán)隊列的運算包括下列步驟：

a）置隊空：根據(jù)判斷隊空的方法，有一個結(jié)點空間是不使用的，可以在隊空時，設(shè)定數(shù)組下標(biāo)為0的空間不使用，因此置隊空時，將頭尾指針值設(shè)為0；

b）判隊空：根據(jù)軟件采用的隊空與隊滿情況的區(qū)分方法，隊空的判斷條件是頭指針等于尾指針；

c）取頭結(jié)點：取出隊列的頭結(jié)點后，并不刪除頭結(jié)點，隊列保持不變，如果隊列是空隊，則提示相關(guān)信息，由于操作的是循環(huán)隊列，因此要考慮頭指針從maxsize-1過渡到0的情況；

d）入隊：入隊時，將新結(jié)點插入到隊尾，隊尾指針加1，要考慮指針從maxsize-1過渡到0的情況以及隊滿不能入隊的情況；

e）出隊：出隊時，刪除隊列的頭結(jié)點，即移動頭指針到頭結(jié)點，取出頭結(jié)點，要考慮隊空不能出隊的情況以及頭指針移動時從maxsize-1過渡到0的情況。

結(jié)合單片機的可用RaM空間大小和接收處理串口數(shù)據(jù)的速度，測溫通訊軟件設(shè)定maxsize=250，即循環(huán)隊列一次最多接收、存儲250 Byte數(shù)據(jù)。通過使用循環(huán)隊列進行串口數(shù)據(jù)的采集處理，測溫通訊軟件成功實現(xiàn)1 s內(nèi)接收三千多字節(jié)的串口數(shù)據(jù)，并在2 s內(nèi)完成caN接口發(fā)送到火控計算機的功能，滿足火控計算機要求5 s內(nèi)響應(yīng)星歷數(shù)據(jù)請求的需求，達(dá)到了快速響應(yīng)火控計算機指令、接收大數(shù)據(jù)量不丟數(shù)的要求[8]。

4 結(jié) 論

測溫通訊軟件成功應(yīng)用于某型激光捷聯(lián)慣組中，試驗驗證實現(xiàn)了重復(fù)性精度為0.05 ℃的測溫，進行溫度補償后全溫域范圍內(nèi)激光陀螺零偏由補償前的0.008 (°)/h提高到0.005 (°)/h，石英撓性加速度計零偏由補償前2×10-4g提高到5×10-5g，有效提高了激光捷聯(lián)慣組全溫域的姿態(tài)、航向精度。接收大數(shù)據(jù)量的GpS定位及星歷信息響應(yīng)快而且不丟數(shù)，為捷聯(lián)慣組與GpS的數(shù)據(jù)融合奠定了基礎(chǔ)。

[1] 曹華. 光纖IMU誤差標(biāo)定及溫度補償技術(shù)的研究與實現(xiàn)[d]. 南京: 南京航空航天大學(xué), 2008.

[2] 過潤秋, 任曉強. 基于dSp的加速度計溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計[J]. 國外電子元器件, 2006(4): 65-68.

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[4] 孫謙, 謝玲, 陳家斌, 劉星橋. 精密溫控對慣性導(dǎo)航平臺系統(tǒng)性能的影響[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報, 2002(6): 379-382.

[5] 黃衛(wèi)權(quán), 王磊. 加速度計溫度控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 應(yīng)用科技, 2010(2): 37-41.

[6] 周航慈. 嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計中的常用算法[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2010.

[7] 陸玲, 周航慈. 嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2008.

[8] 白瑞豐. 雙核音頻數(shù)字信號處理核心軟件架構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)[d]. 成都:電子科技大學(xué), 2014.

A design of Temperature Measuring and Communication Software for SINS

Wei Rui, Kang Bing, Zhao Lin, dong Yan-wei, Ren chi
(Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing, 100076)

The temperature measuring and communication software is designed to gather and filter multiple temperature data, guarantee the measuring precision in a wide temperature range. It can receive position and navigation data of GpS in real time, and transmit satellite data well and truly in the rapid time. In the software, an appropriate process flow is designed, the calculating of temperature data and the noise eliminating are accomplished using the method of mean glide filtering in combination with the arithmetic average; Based on circular queue technology, the serial data can be

in real-time. application proves: the software has a repeatability precision higher than 0.05 ℃ in temperature measuring, can timely and accurately send navigation data to the fire control computer, and can meet the demand that receiving and handing ephemeris data of several KB in the 2s without data lose, therefore providing a way to realize temperature compensation, data fusion and external information interaction for LSINS.

Wide temperature range; Mean slide filtering; data fusion; circular queue

V556

a

1004-7182(2016)01-0103-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20160124

2014-11-25；

2015-03-30

衛(wèi) 瑞（1980-），女，高級工程師，主要研究方向為定位定向技術(shù)