摘要：為提高導航的精度和實時性，設計了基于DSP和FPGA的導航計算機模塊，成功實現(xiàn)了低成本、小型化的捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)。通過描述硬件的設計原理和軟件的框架及流程，簡要介紹了系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)方法。經驗證，該系統(tǒng)達到了導航定位的性能和精度要求，姿態(tài)、位置和速度等參數(shù)可以有效融合多傳感器的導航信息，能滿足導航計算機在處理能力、體積、功耗和適應性等方面的要求。
關鍵詞：導航計算機；DSP；FPGA；導航定位

0 引言
    慣性導航系統(tǒng)是隨慣性傳感器(陀螺儀和加速度計)技術的發(fā)展而發(fā)展起來的一門導航技術，由于具有完全自主，不受任何干擾，隱蔽性強，輸出信息量大，輸出信息實時性強等優(yōu)點，在軍事領域和民用領域都得到了廣泛的應用，已被許多機載設備選為標準導航設備。特別是現(xiàn)代戰(zhàn)爭所面臨的電磁環(huán)境日益復雜，對慣性導航技術的依賴和要求也越來越高，慣性導航技術已經成為現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭中一項重要支撐技術而受到各國的關注。為了保證飛機按照預定的航線進行飛行，對各種數(shù)據(jù)進行實時精確處理顯得非常關鍵，因此研制具有可靠性高，運算精度高，性能先進等特點的新一代導航計算機已成為必然。

1 導航計算機系統(tǒng)組成
    導航計算機是慣性導航系統(tǒng)的核心功能單元之一，配套應用于慣性導航系統(tǒng)的總體中。導航計算機采用嵌入式計算機設計技術、智能接口技術及高精度組合導航技術，配置高性能DSP處理器和大容量存儲器，利用大規(guī)?，F(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)設計，使用集成軟件開發(fā)環(huán)境開發(fā)程序實現(xiàn)高速板內總線對接口的高速訪問。由處理器通過接收陀螺、加速度計、GPS等其他傳感器的輸入數(shù)據(jù)進行導航解算、誤差補償?shù)冗\算處理，獲得航向、俯仰、滾動角、三軸角速率、速度、經緯度、高度等導航所需的參數(shù)信息。
    作為導航系統(tǒng)核心部件的導航計算機負責從數(shù)據(jù)采集電路獲取導航原始數(shù)據(jù)，進行捷聯(lián)導航算法處理，最后將解算得到的導航結果進行輸出控制。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

2 導航計算機硬件組成
    導航計算機采用GPS衛(wèi)星導航與慣性導航相結合，采用松耦合方式進行互聯(lián)，在保證系統(tǒng)間信息交換能力的前提下考慮系統(tǒng)的組合性和靈活性。為提高系統(tǒng)的實時性、集成度和擴展性，硬件設計上采用DSP+FPGA的解決方案。
    DSP芯片主要完成復雜的數(shù)學運算，包含誤差補償、初始對準和導航運算等；FPGA芯片完成所有外圍接口，包括陀螺、加速度計的高速采樣和I／O接口等各傳感器信號的采集，通過信號處理電路送至處理器芯片進行運算處理，將解算到的慣性測量信息通過數(shù)據(jù)接口控制輸出。導航計算機硬件組成如圖2所示。

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    為保障系統(tǒng)具有大規(guī)模數(shù)據(jù)處理能力，同時具有實時性的特點，導航計算機的核心器件選用了TI公司推出的高速浮點處理器DSP芯片TMS 320C6713。作為導航計算機的核心控制部件，該芯片工作的主頻為200 MHz，單指令執(zhí)行周期為5 ns；定點浮點運算能力強大，運算速度能達到1 600 MIPS／1 200 MFLOPS。作為數(shù)據(jù)運算系統(tǒng)，TMS320C6713不僅保證了導航運算的速度和精度，同時豐富的系統(tǒng)應用外設及多種標準接口，方便導航計算機與外部傳感器進行數(shù)據(jù)交互。快速的中斷處理性能可保障導航計算機多個接口的傳輸速率。
    為滿足多個數(shù)據(jù)接口的數(shù)據(jù)傳輸需要，采用XILINX公司的現(xiàn)場可編程門陣列FPGA芯片XQ4013E4PG223M，設計完成了系統(tǒng)的復位功能、邏輯譯碼功能、外部接口管理和移位脈沖計數(shù)功能。FPGA芯片的使用，方便了功能電路的集成，在不增加硬件電路的情況下，通過模塊化的VHDL設計，適應了導航功能電路的變化。通過采用基于VHDL的計數(shù)脈沖濾波、采樣及自測試技術，提高了輸入信號的采集精度，對提高整個激光捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的定位精度提供了支撐，實現(xiàn)了高精度、通用化和小型化。
    慣性器件的輸出信號采樣頻率決定了捷聯(lián)解算的精度和速度。根據(jù)實時性要求，系統(tǒng)每1 ms采集一次陀螺脈沖和加速度計的數(shù)據(jù)，DSP芯片每10ms進行1次導航數(shù)據(jù)解算。因此選用高效的AD1674和OP200電路對加速度計采集到的信號進行模數(shù)轉換，將采集到的0～5V電壓信號轉換為數(shù)字信號，存儲于內部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內供DSP芯片進行數(shù)據(jù)處理。AD1674是12位A／D轉換器，具有10 V參考輸入，時鐘輸入和三態(tài)輸出的微處理器接口，具有采樣／保持功能，可對快速傳輸?shù)慕唬绷餍盘栠M行直接轉換，轉換時間不大于15μs。AD1674芯片可以在兩種模式下工作，全控制模式和獨立模式，設計中選用獨立工作模式，數(shù)據(jù)轉換由R／C信號控制。
    光纖陀螺輸出信號是脈沖信號，x，y和z軸分別輸出正反2路信號，信號為GPOXP，GPOXN，GPOYP，GPOYN，GPOZP，GPOZN。定時周期內正反信號脈沖個數(shù)的差和標度因數(shù)的積即為該軸向陀螺的角速度。光纖陀螺的計數(shù)功能模塊如圖3所示。

    光纖陀螺的脈沖信號經信號調理電路進入計數(shù)器模塊。計數(shù)器模塊由5片定時器芯片8254實現(xiàn)14路16位計數(shù)器。5片芯片共用I／O地址空間，使能端長有效，輸入時鐘通過二選一電路來選擇輸入信號。6路脈沖信號工作，同時計數(shù)，確保光纖陀螺輸入參數(shù)的準確性和實時性。脈沖信號計數(shù)和光纖陀螺之間在FPGA中以VHDL代碼形式描述。
    GPOXP<=DRP AND (NOT GPOX) AND C(0)；
    GPOXN<=DRP AND (NOT GPOX) AND C(1)；
    GPOYP<=DRP AND (NOT GPOY) AND C(2)；
    GPOYN<=DRP AND (NOT GPOY) AND C(3)；
    GPOZP<=DRP AND (NOT GPOZ) AND C(4)；
    GPOZN<=DRP AND (NOT GPOZ) AND C(5)；
    其中，GPOX，GPOY，GPOZ分別為8254芯片3個定時器／計數(shù)器輸出信號；GPOXP，GPOXN，GPOYP，GPOYN，GPOZP，GPOZN分別經過5406反相輸出后，依次對應CTRLGX+，CTRLGX-，CTRLGY+，CTRLGY-，CTRLGZ+，CTRLGZ-信號。
    陀螺脈沖、加表脈沖和抖頻脈沖是外部傳感器的輸入信號，是導航計算機的“眼睛”，計數(shù)要求最大計數(shù)頻率為1MHz，計數(shù)精度為±1，導航計算機依靠解析這些信號進行定位，各導航系統(tǒng)的信息通信是否通暢、精確直接影響導航系統(tǒng)的性能，因此對這些信號的處理及可靠性要求非常高。如果這些電路出現(xiàn)故障，導航計算機則幾乎無法使用；如果處理器采集的數(shù)據(jù)誤差大，導航計算機的定位將不夠準確，因此該部分電路是導航計算機的設計關鍵。針對這部分關鍵電路設計了專用測試電路。在系統(tǒng)加電初始化完成后，通過軟件控制，硬件將輸出標準的脈沖信號切換到傳感器脈沖信號的輸入端，然后進行數(shù)據(jù)采樣，觀察測試數(shù)據(jù)的準確性是否滿足系統(tǒng)要求，實現(xiàn)了功能電路的自測試。
    光纖陀螺的參數(shù)通過RS 422接口傳遞給處理器解算。RS 422電路由一片8252實現(xiàn)一路串行接口，通過MAX488芯片實現(xiàn)RS 422接口的轉換，可實現(xiàn)最高1 Mb／s的數(shù)據(jù)傳輸速率。支持點對多的雙向通信，數(shù)據(jù)信號采用全雙工差分方式實現(xiàn)，信號的方式與接收在同一時刻進行而互不干擾，提高系統(tǒng)的響應速度。
    ARINC429數(shù)據(jù)總線是為航空電子系統(tǒng)通信規(guī)定的航空工業(yè)標準，它為系統(tǒng)互聯(lián)提供統(tǒng)一平臺，擔負著交聯(lián)各個電子設備的重要責任。RS 429電路選用Harris公司的HSI3182和HSI3282，實現(xiàn)ARINC429數(shù)據(jù)接口的擴展，接收和發(fā)送中斷均連接至系統(tǒng)中斷控制器。傳輸?shù)奈凰俾蕿?00 Kb／s，保障了各系統(tǒng)間的數(shù)字信息快速而可靠的傳輸。
    導航計算機與上位機之間以RS 232串口形式進行數(shù)據(jù)交互，完成軟件調試和串行通信(包括初始化參數(shù)的裝載、導航功能的選擇和導航功能的輸出)。DSP芯片通過擴展異步串行接口，形成兩路UART實現(xiàn)異步全雙工串口通信，傳輸速率可達1．5 Mb／s。TTL電平和RS 232電平轉換通過MAX232芯片實現(xiàn)。
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3 導航計算機軟件設計
    導航計算機軟件采用DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS實現(xiàn)。CCS是TI公司推出的DSP開發(fā)環(huán)境，集成Sireulator和Emulator仿真器驅動程序。它包含每個TI器件的編譯器、源代碼編輯器、項目開發(fā)環(huán)境、調試器及許多其他功能，與C語言有良好的數(shù)據(jù)交互接口。CCS提供的單用戶界面能使用戶完成應用程序開發(fā)例程的每一步。CCS主要包括：CCS代碼生成工具；CCS集成開發(fā)環(huán)境；DSP／BIOS插件程序和API；RTDX插件、主機接口和API。
    組合導航的軟件算法解算過程通常采用卡爾曼濾波器實現(xiàn)，通過反復迭代實現(xiàn)。軟件實現(xiàn)的功能分為4部分：系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集任務、捷聯(lián)導航結算任務和命令參數(shù)發(fā)送任務。DSP上電復位后進行系統(tǒng)初始化工作，配置各寄存器和內部資源的狀態(tài)為確定的初始狀態(tài)。如果監(jiān)測到中斷控制器的中斷信號，首先讀取RS 422和RS 429接口電路的數(shù)據(jù)，進行航向輔助的慣導數(shù)據(jù)解算。A／D轉化結束產生中斷，DSP從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)讀取到轉換結果，得到飛行參數(shù)信息，并且將此時所有傳感器的數(shù)據(jù)進行匯總分析，實現(xiàn)一次卡爾曼濾波。將得到的數(shù)據(jù)對捷聯(lián)慣導的運算進行誤差修正，得到系統(tǒng)最優(yōu)的導航信息，通過串行口輸出給上位計算機顯示并對飛行器進行適當?shù)恼{整。
    軟件成功執(zhí)行了捷聯(lián)算法，各個功能函數(shù)執(zhí)行正確，并且導航結果有較好的精度。在系統(tǒng)加電后，導航計算機的引導程序首先讀取系統(tǒng)狀態(tài)信息。調試模式下可通過宿主機的開發(fā)調試工具CCS進行應用程序的編輯、編譯、加載和調試，調試通過后使用編程工具將應用程序固化到系統(tǒng)FLASH中，從而提高了導航計算機的開發(fā)調試能力。軟件的執(zhí)行流程圖如圖4所示。

4 結語
    激光捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)是一種自主式導航基準系統(tǒng)，它成本低廉，結構簡單，可靠性高，廣泛應用在飛機、導彈、火箭、艦船、衛(wèi)星等設備中。試驗結果表明，系統(tǒng)的方案設計達到要求，導航精度符合設計要求。在硬件設計時充分考慮了系統(tǒng)的擴展，預留有串行口等擴展接口，可方便接入GPS接收機等外部導航設備，方便形成組合型導航系統(tǒng)，對導航系統(tǒng)小型化的研究和推廣具有積極的意義。