基于多核芯姿態測量系統設計

梁挺+賀峻峰+丁昨凱+張蕙菁+武強

摘 要 本文提出基于ARM+DSP與FPGA相結合的多核心組合硬件系統平臺方案。該方案以ARM為通信和控制處理器與DSP為組合導航解算處理器的雙核作為主核芯，FPGA作為輔助核心，用于采集MEMS陀螺數據和GPS模塊數據。由于共用數據、地址總線，通過內部內存控制器，提高數據和地址總線的利用效率，至使ARM和DSP之間數據操作完全擺脫占用其時鐘周期的限制，大大提高了數據操作效率；ARM內部集成豐富的硬件控制器，可以省去大量軟件優化時間，并且TI公司為客戶提供底層驅動優化方案，使整體系統對外數據交換更加靈活。

【關鍵詞】姿態測量 組合導航 DSP ARM FPGA MEMS陀螺 GPS

1 姿態測量系統硬件設計方案

1.1 系統的硬件電路結構

本系統以雙核芯片OMAP-L138+FPGA為核心處理器，實現慣性器件及相關信息的采集、捷聯慣性導航算法的實現。雙核處理器OMAP-L138中的DSP部分主要處理各種數據的預處理、傳感器信號的誤差補償、姿態解算、導航解算等， ARM部分主要實現慣性器件（三個陀螺及三個加速度計）、溫度傳感器的數據采集；FPGA實現GPS/北斗信號、磁航向傳感器、里程計以及各種外圍通訊串口數據的采集，并通過雙口RAM與DSP進行數據交互。

本系統分為雙層結構，上層包括雙核處理器、FPGA、及其配置Flash、DDR2 SDRAM、時鐘芯片、RTC芯片、兩個分別對嵌入式系統供電的電源芯片集中在上層電路板；下層電路板包括ADIS16488 MEMS陀螺儀、LEA-5H的GPS模塊、防浪涌模塊、28V轉5V電源模塊、四路RS422電平轉換芯片、一個50V15000uF的儲能電容以及連接上層的垂直連接器和一個31芯的矩形連接器。

1.2 OMPL-138及FPGA的電路設計概述

OMAPL138作為包含ARM+DSP雙核嵌入式處理器，由于其初始啟動過程需要依賴ARM端的低頻時鐘進行初始化，因此，OMAPL138外圍分別需要輸入兩個時鐘，一個是32.768Khz的慢時鐘，另一個為24Mhz的快時鐘。本設計中FPGA芯片為雙核處理器提供了快時鐘輸入，并為其輸出初始化的復位信號，。

根據OMAPL138數據手冊要求，對于其PLL區域的供電需要非常低的電壓噪聲，因此，鎖相環區域電源輸入添加穿心電容，和三個不同容值的旁路電容，用于電源輸入濾波。由于數據運算速率的需要，OMAPL138外部內存采用了DDR2 SDRAM。

在整個姿態測量系統中，復位信號質量的好壞會影響整個系統的性能指標，因此，針對復位信號，采用主備信號的方式進行設計。電源芯片管腳能夠產生一路先高后低再拉高的漏極開路（Open drain）信號，此信號滿足OMAPL138上電復位信號的時間要求，將電源產生的復位信號與外部按鍵所產生的復位信號共同引入與門芯片內部，這樣可以在加電的狀態下，為FPGA和雙核提供熱復位的功能；將復位信號從與門引入FPGA，再由FPGA自身產生一個和與門相同邏輯時序的IO電平信號輸出給OMAPL138的復位管腳，當系統上電時，電源芯片輸出的復位信號通過與門傳送到FPGA內部，FPGA響應此信號后將自身產生的復位信號再輸送給OMAPL138，使其進入初始化狀態；當按鍵按下時，與門將低信號輸入給FPGA內部，FPGA此時會發送復位信號到OMAPL138的復位輸入管腳，使OMAPL138在上電狀態進行復位初始化。

1.3 電源電路及GPS模塊電路設計

電源電路分為兩部分，一部分為OMAPL138和FPGA的電源芯片及其外圍電路，另一部分為系統輸出28V濾波、轉換以及儲能的電路。

根據OMAPL138數據手冊的要求，其內核和外部IO區域上電順序有明確的限制，先給內核供電，再給外部IO供電，這樣會確保OMAPL138芯片初始化正常，并且能預防先供給外部IO電壓導致燒內核的情況發生，利用復位芯片，當1.2V供電時才能打開1.8V的IO供電的使能，當1.8V供電時，才能打開3.3V供電使能，這樣完成由內核上電再到外部IO上電的先后順序。下層電路板電源部分主要分為兩部分，一部分是外部電源輸入后的濾波處理，另一部分是電壓轉換后進行儲能，防止短時電源塌陷。由于系統要求瞬間斷電50ms內，要確保后端系統在電源切換時正常工作，根據計算，需接入一個耐壓值50V容值約為14000uF的儲能電容，為系統儲能。

利用電源轉換芯片，將輸入28V轉換為系統需要的5V電壓，輸出電流能力額定值為2.4A，由于整板最大功耗約為10W，額定功率下約為5～6W，電源模塊滿足工作需求。為5V加入一階濾波電路，為后端電路提供更低噪聲的電源供電。GPS模塊為5V供電，外接天線為3.3V供電，由數據手冊可知，天線為有源天線，可由模塊內部供電也可由外部電源供電。

1.4 外圍及接口電路

根據GPS模塊的需要，本系統內部加入了RTC芯片，用作板級內部時鐘計數和部分數據存儲，這樣配置可以提高GPS定位速度，降低定位的飄逸和瞬間丟星時的數據異常，大大提高定位精度。

由于系統要求，對外接口提供了四路RS422接口，用于與外界計算機交互，兩路RS232接口，便于板級信息輸出和調試，以及OMAPL138和FPGA自身的JTAG接口，用于程序調。

2 總結

由于微電子技術和嵌入式技術的飛速發展，采用嵌入式平臺的姿態測量系統也得到了迅猛發展，功能更加豐富、性能顯著提高、質量和體積不斷縮小。本文研究的基于微小型MEMS和嵌入式平臺的姿態測量系統，也是一種捷聯式慣性導航系統。相對于慣性導航系統，這種基于微小型MEMS和嵌入式平臺的姿態測量系統具有更小的體積、更低的功耗成本，降低了系統成本，這會使得姿態測量系統，更易于生產，以及適用方面更加廣闊，不僅對軍事方面，對民用方面能起到獨特的作用。

參考文獻

[1]任思聰.實用慣導系統原理[M].北京：宇航出版社，1988.

[2]張海陵，陳茄，譚海云.基于FPGA的模擬信號源系統設計[J].電子科技大學學報，2006.

作者簡介

梁挺（1982-），男，江蘇省宿遷市人。工程碩士。主要研究方向為計算機技術。

作者單位

西安應用光學研究所 陜西省西安市 710065