基于DSP技術(shù)的導(dǎo)航計算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)研究

吳金玲

（貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院貴州貴陽550023）

導(dǎo)航是指將運(yùn)動載體根據(jù)一定規(guī)律沿著設(shè)定軌跡輸送至預(yù)訂目的地這一過程。早先導(dǎo)航過程中，因人類對自然現(xiàn)象認(rèn)識不深，主要運(yùn)用相對直觀的信息，設(shè)計原理也比較簡單，這種情況難以保障導(dǎo)航精度。隨著科學(xué)技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，人們對導(dǎo)航信息處理提出更高的要求。新時期設(shè)計的導(dǎo)航計算機(jī)主要根據(jù)設(shè)定的導(dǎo)航參數(shù)，在信息實(shí)施不同的處理過程中，做好主控計算機(jī)控制和數(shù)據(jù)處理工作。而導(dǎo)航計算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)則結(jié)合導(dǎo)航計算機(jī)的形式，在各種器件的配置下，完成導(dǎo)航參數(shù)設(shè)置和處理等操作，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)通信。本次研究在提高數(shù)據(jù)處理功能、保障信息處理時效性基礎(chǔ)上，提出基于DSP技術(shù)的導(dǎo)航計算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以期為導(dǎo)航計算機(jī)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用提供一定指導(dǎo)。

1 概述DSP系統(tǒng)構(gòu)成要素

數(shù)字信號處理（DSP）是是一門涉及多方面的知識、應(yīng)用廣泛的新興學(xué)科，DSP系統(tǒng)是以數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)，其具有接口和編程方便、精度高等優(yōu)點(diǎn)，通過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)在通信、概率統(tǒng)計、數(shù)值分析等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。雖然數(shù)據(jù)信號處理理論發(fā)展比較迅速，但在20世紀(jì)80年代之前，由于實(shí)現(xiàn)方式的限制，數(shù)字信號處理理論并未獲得廣泛運(yùn)用。直至20世紀(jì)70年代，可編程的DSP芯片誕生，才徹底將理論應(yīng)用于實(shí)踐中，進(jìn)一步推動新理論及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展[2]。圖1是比較典型的DSP系統(tǒng)，下圖中的輸入信號可以是語音信號、模擬信號等形式。輸入信號先要進(jìn)行濾波、抽樣處理，隨之采用A/D進(jìn)行變換處理，把模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，DSP芯片對輸入數(shù)字信號展開中處理，例如：開展相對應(yīng)的乘累加操作，獲取所需輸出數(shù)字量[3]。在上述操作基礎(chǔ)上，通過D/A轉(zhuǎn)換成模擬樣值，隨之借助濾波即可獲取連續(xù)的模擬波形。

圖1 典型DSP系統(tǒng)信號處理

2 導(dǎo)航計算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件總體設(shè)計方案

對于該系統(tǒng)導(dǎo)航解算過程展開分析，本研究設(shè)計的導(dǎo)航計算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)要達(dá)到要求：1）及時采集激光陀螺儀、溫度傳感器等設(shè)備的數(shù)據(jù)：激光陀螺儀、加速器中的信號是系統(tǒng)進(jìn)行求解必備的輸入信號，溫度信息則能為激光陀螺儀信號提供溫度補(bǔ)償基準(zhǔn)，以此提升導(dǎo)航的精準(zhǔn)度[4]。對陀螺儀信號要展開解調(diào)、計數(shù)、濾波等處理，加速度信號給予可逆計數(shù)處理；溫度信號實(shí)施AD轉(zhuǎn)換即可。對上述信號開展相對應(yīng)的處理后，利用數(shù)據(jù)總線把信息傳送給DSP完成導(dǎo)航解算。2）完成復(fù)雜、準(zhǔn)確的解算：導(dǎo)航解算作為導(dǎo)航計算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)重要的任務(wù)之一，其解算的內(nèi)容包含陀螺儀或加速度計標(biāo)定、校準(zhǔn)等[5]。基于上述需求，本次研究選用DSP作為系統(tǒng)的主處理器，DSP具有運(yùn)算迅速、實(shí)時性好等優(yōu)點(diǎn)，主要用于完成導(dǎo)航解算工作，由FPGA主要負(fù)責(zé)信號的采集和通信工作。導(dǎo)航計算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)硬件主要包含電源、DSP等模塊，總體框架見圖2。

圖2 導(dǎo)航計算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)硬件設(shè)計框架

2.2 各模塊設(shè)計情況

2.2.1 電源模塊設(shè)計

由于該系統(tǒng)有DSP、AD轉(zhuǎn)換等多種芯片，且這些芯片所需的電壓有所差異，這種條件下必須設(shè)計支持輸出多路獨(dú)立的電源模塊。加之，本次研究采用光耦隔離芯片把整個電路隔離成為沒有電連接兩個獨(dú)立的部分，對兩個部分之間不可有電連接，具體設(shè)計如圖2所示。其中，LM1117作為3.3 V的穩(wěn)壓器件，它輸入、輸出電壓分別為5 V、3.3 V，主要為串口芯片等部分供電。TPS70345PWP芯片輸入電壓同上，但其輸出電壓依次為3.3 V、1.2 V，主要為DSP等導(dǎo)航相關(guān)的部分進(jìn)行供電。上述設(shè)計，不僅能提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也可以保障電路安全。

圖3 電源模塊設(shè)計情況

2.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

對溫度或模擬信號進(jìn)行采集時，想要對這些信號進(jìn)行放大和AD轉(zhuǎn)換出來，并通過FPGA完成相應(yīng)的處理。同時，運(yùn)用石英撓性加速度計對加速度信號進(jìn)行采集，雖然其測量精度較高，但輸出的是模擬信號，必須將其轉(zhuǎn)變?yōu)楸緮?shù)字信號方可被FPGA采集[6-7]。一般情況下，常利用I/F轉(zhuǎn)換或A/D采樣實(shí)現(xiàn)由模擬至數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。由于I/F轉(zhuǎn)換方法是基于電荷平衡理論實(shí)現(xiàn)的，其借助標(biāo)準(zhǔn)電流Ic組成反積分電荷量，不斷修正及速度計輸出的積分荷量[8]。I/F轉(zhuǎn)換原理見圖4。

圖4 I/F轉(zhuǎn)換信號

2.2.3 通信模塊設(shè)計

為保障輸出導(dǎo)航計算機(jī)數(shù)據(jù)處理速度等內(nèi)容，本文選取RS-422與上位機(jī)實(shí)施通信，在通信模塊內(nèi)添加光耦隔離芯片，電路設(shè)計見圖5。該芯片能有效把電路隔離成兩個部分，因電路之間不具有直接電連接，能避免產(chǎn)生比不必要干擾，提升電路的安全性[9]。

圖5 通信模塊電路設(shè)計

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件總體設(shè)計

導(dǎo)航計算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件設(shè)計應(yīng)具有以下功能：依據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)對初始化數(shù)據(jù)的要求，由外部獲取初始位置信息、姿態(tài)角度；及時采集加速度計、陀螺輸出的模擬信號并將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量[10]。同時，能夠根據(jù)實(shí)際要求計算角速度、加速度等信息。此外，對于系統(tǒng)和GPS輸出的速度及位置信息，綜合各自誤差方程，利用卡爾曼濾波法進(jìn)行求解，估算可能出現(xiàn)的誤差，并依據(jù)這個誤差值，對系統(tǒng)實(shí)施補(bǔ)償處理，以此獲得準(zhǔn)確的姿態(tài)、速度信息，并將其傳輸至控制單元上[11]。主要功能見圖6。

圖6 系統(tǒng)軟件功能框圖

3.2 DSP啟動加載模塊

啟動加載作為DSP獨(dú)特的應(yīng)用程序運(yùn)行方法，當(dāng)DSP系統(tǒng)連上電后，會把FLASH芯片內(nèi)的應(yīng)用程序慢慢搬移至內(nèi)部或RAM內(nèi)，并由外擴(kuò)的RAM執(zhí)行相應(yīng)的程序[12]。由于所用芯片內(nèi)包含IK字節(jié)的空間，因此，設(shè)計者應(yīng)編寫一段程序，方可實(shí)現(xiàn)以下操作：1）設(shè)置合理的EMIF參數(shù)，就是對外部RAM進(jìn)行初始化操作；2）把FLASH上面的應(yīng)用程序搬移至最佳位置；將程序控制權(quán)上交至RAM應(yīng)用程序中。編寫的小程序與導(dǎo)航程序依次進(jìn)行編譯，均燒寫至FLASH芯片內(nèi)，如此系統(tǒng)充上電后，方可執(zhí)行啟動加載過程。

3.3 GPS信息接收模塊

GPS能夠提供時間、經(jīng)緯度、速度、定位星數(shù)等信息，這些均由一組連續(xù)字節(jié)數(shù)據(jù)代表，主要包括信息頭、信息體和結(jié)尾，其中，信息頭設(shè)定固定、信息長度、信息號字節(jié)均為1個[13]。信息體包含多個字節(jié)，主要表示各類定位信息，一般由8個雙精度浮點(diǎn)數(shù)、4個單精度浮點(diǎn)數(shù)代表[14]。對多個字節(jié)數(shù)據(jù)而言，通常低字節(jié)設(shè)置在前，高字節(jié)處于后邊，由導(dǎo)航計算機(jī)接受一系列字節(jié)數(shù)據(jù)后，必須根據(jù)上述定義，把這一連續(xù)字節(jié)轉(zhuǎn)變成為所需的經(jīng)緯度等信息。GPS接收機(jī)能夠發(fā)出多組數(shù)據(jù)信息，上述信息借助信息頭進(jìn)行區(qū)分，不同信息號表示相對應(yīng)的信息組[15]。因此，在采集數(shù)據(jù)操作時，要依據(jù)信息號評估所接收的數(shù)據(jù)是否需要。GPS接收機(jī)及時接受相應(yīng)的連續(xù)字節(jié)數(shù)據(jù)，并在串口中斷內(nèi)完成，其框圖見圖7。

圖7 GPS信息接收流程圖

3.4 控制模塊設(shè)計

由于本次設(shè)計的系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向比較復(fù)雜、時序較多，為提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須借助控制模塊協(xié)調(diào)不同模塊之間的通信，控制時序并合理規(guī)劃各類數(shù)據(jù)的流向。具體來說，就是運(yùn)用FIFO讀寫控制和串口通信模塊實(shí)現(xiàn)。異步FIFO作為連接DSP與其他數(shù)據(jù)之間的橋梁，會把采集的信號借助FIFO傳遞給數(shù)據(jù)總線，便于DSP進(jìn)行讀取，以此規(guī)定正方向。如果需要FIFO把通過DSP解算處理后的信息反饋處理，設(shè)定其為反方向。DSP正向處理FIFO傳送信息實(shí)現(xiàn)代碼如下：

4 系統(tǒng)性能測試

4.1 測試組合導(dǎo)航解算時間

CCS6000C語言調(diào)試系統(tǒng)具有編譯、連接等功能，其中，優(yōu)化處理功能對提升程序運(yùn)行效率、縮短運(yùn)行時間產(chǎn)生積極地影響。在系統(tǒng)硬件平臺上展開測試，只需編程組合導(dǎo)航算法，無需進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而測試導(dǎo)航算法在系統(tǒng)硬件平臺上所用的運(yùn)算時間，測試結(jié)果見表1。由下列數(shù)據(jù)可知，與不優(yōu)化對比，通過函數(shù)級優(yōu)化約能縮短3倍左右的運(yùn)行時間。加之，借助程序內(nèi)的關(guān)鍵循環(huán)展開各項(xiàng)操作，從而充分運(yùn)用TMS320C67X的8級流水線，程序運(yùn)行效率還會有一定程度的提升。此外，使用最高級別優(yōu)化-O3運(yùn)算數(shù)量明顯提高，但不能展開測試。

表1 卡爾曼濾波算法檢測結(jié)果

4.2 測試計脈沖數(shù)

對于陀螺或加速度計所輸出的電壓信號實(shí)施轉(zhuǎn)換處理后，輸出正負(fù)電壓相對應(yīng)的正負(fù)脈沖信號。如果電壓為正數(shù)，正脈沖輸出電壓大小相應(yīng)的脈沖信號，負(fù)脈沖并未輸出脈沖信號。對正負(fù)脈沖展開計數(shù)操作，計數(shù)大小表示陀螺或加速度計輸出信息情況[16]。測試方法：借助信號發(fā)生器所產(chǎn)生的電壓信號代替陀螺或加速度計輸出值，通過v-F轉(zhuǎn)換操作后，組成兩路脈沖信號并將其與計數(shù)器板、DSP導(dǎo)航計算機(jī)實(shí)現(xiàn)連接，以此模擬采集所需的信號。圖8表示測試曲線，分析該圖發(fā)現(xiàn)，兩路脈沖輸出均為半正弦，處在兩路信號換向位置采集比較正常，與頻率計測試結(jié)果相比，數(shù)據(jù)正確并未出現(xiàn)錯誤。圖中出現(xiàn)兩路半正弦信號幅值并不相同，是由于V-F轉(zhuǎn)換電路出現(xiàn)偏置引起的，這種偏置并不影響最終的采集和解算結(jié)果。

圖8 正弦信號脈沖測量曲線

5 結(jié) 論

綜上所述，運(yùn)用DSP技術(shù)對導(dǎo)航計算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)展開設(shè)計，不僅能對程序?qū)嵤﹥?yōu)化處理，也能有效改善導(dǎo)航的進(jìn)度和準(zhǔn)確性。本文以DSP技術(shù)為研究視角，通過分析DSP系統(tǒng)主要構(gòu)成及特點(diǎn)基礎(chǔ)上，提出導(dǎo)航計算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟硬件各模塊設(shè)計，并對計脈沖數(shù)、組合導(dǎo)航解算時間展開測試，驗(yàn)證這種設(shè)計的有效性、可行性，以期為類似研究提供一定指導(dǎo)。

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