基于SOPC的嵌入式導航計算機設(shè)計

李良仁，汪臨偉，彭雪峰

(九江職業(yè)技術(shù)學院 電氣工程系，九江 332007)

0 引言

導航計算機是導航系統(tǒng)的核心部件,應具備較強的數(shù)據(jù)處理能力，以適應復雜的數(shù)據(jù)融合算法，保證導航實時性和精度要求，并要求在體積、功耗性等方面與系統(tǒng)環(huán)境相適應；本文以捷聯(lián)導航系統(tǒng)為例，采用SOPC設(shè)計技術(shù)，對導航計算機硬件所需的數(shù)據(jù)處理、接口通信和控制軟件進行設(shè)計，通過測試，系統(tǒng)的體積和功耗大幅降低，并滿足捷聯(lián)導航系統(tǒng)對空間的苛刻要求，同時片內(nèi)設(shè)計可靠性提高；利用豐富的IP庫，在FPGA邏輯資源中可根據(jù)導航系統(tǒng)應用場合對通信接口和信號采集功能的要求實現(xiàn)各種功能外設(shè)；在SOPC上選用高性能處理器，并在FPGA邏輯資源中硬件實現(xiàn)部分算法，形成軟硬件協(xié)同的處理模式，可實現(xiàn)較好的實時性和較高的精度。

1 SOPC導航系統(tǒng)的整體方案設(shè)計

作為捷聯(lián)導航系統(tǒng)核心部件的導航計算機負責從敏感元件獲取導航原始數(shù)據(jù)，并進行捷聯(lián)導航算法處理，最后將解算得到的導航結(jié)果進行輸出控制。捷聯(lián)導航計算機系統(tǒng)設(shè)計可由系統(tǒng)硬件平臺、軟件平臺以及導航軟件三個部分組成，具體設(shè)計方案如圖1所示。

2 導航計算機硬件電路設(shè)計

嵌入式導航系統(tǒng)的硬件可劃分為四大部分，即慣性測量組件、數(shù)據(jù)采集電路、導航計算機和通訊接口部分。慣性測量組件包括光纖陀螺儀和加速度計兩部分，主要用來測量敏感角速率和比力信息。數(shù)據(jù)采集電路是慣性測量組件和導航計算機之間的聯(lián)系橋梁，為了能夠保證系統(tǒng)正常工作，數(shù)據(jù)采集電路必須正確實時地采集到慣性器件的輸出信號，并且要把這些數(shù)據(jù)以一定速率實時準確地傳送給導航計算機。導航計算機是捷聯(lián)導航系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)中“數(shù)學平臺”的建立、捷聯(lián)解算工作及整個系統(tǒng)的管理和控制工作都由它來完成，采用FPGA芯片可以滿足捷聯(lián)導航系統(tǒng)要求高速運算和數(shù)據(jù)動態(tài)范圍大的特點。根據(jù)以上分析，可以確定嵌入式導航計算機硬件系統(tǒng)框圖，如圖2所示。

圖1 SOPC導航系統(tǒng)的整體方案

圖2 嵌入式導航計算機硬件系統(tǒng)框圖

在嵌入式導航計算機系統(tǒng)中，信號的采集和處理，導航解算都是通過在FPGA中嵌入NiosⅡ 軟核處理器構(gòu)成SOPC系統(tǒng)來實現(xiàn)。石英撓性加速度計傳感器輸出經(jīng)過信號調(diào)理后送入A/D芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后通過FIR數(shù)字濾波后送入SOPC，光纖陀螺輸出的脈沖信號經(jīng)過脈沖整形后送入FPGA內(nèi)用Verilog HDL 實現(xiàn)的硬件計數(shù)模塊實現(xiàn)計數(shù)。

2.1 加速度計的數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計

系統(tǒng)對慣性元件輸出信號的采樣頻率直接影響了捷聯(lián)解算的速度和精度，本系統(tǒng)每1ms采集一次陀螺和加速度計的數(shù)據(jù)，每10ms進行一次導航解算。基于上述因素，設(shè)計了快速高效的AD7656和FPGA的高精度加速度計接口電路方案，電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。石英加速度計輸出微弱電流信號，經(jīng)過精密采樣電阻，轉(zhuǎn)換成電壓信號，以便于A/D轉(zhuǎn)換，通過二階低通濾波器濾掉高頻噪聲后，送入6通道并行轉(zhuǎn)換的AD7656中，由FPGA控制AD轉(zhuǎn)換，并讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，存儲于內(nèi)部緩沖區(qū)中，最終與陀螺儀的數(shù)據(jù)組合，進行數(shù)據(jù)處理和導航解算。它實際上是3個單通道的組合，可以滿足不同精度，不同數(shù)字讀出速度的要求，且相互之間電路干擾較少。為了保證三個加速度計的同步采樣，采用同一器件的不同通道進行轉(zhuǎn)換，以取得同樣的讀出速度。

圖3 加速度計數(shù)據(jù)采集電路框圖

2.2 光纖陀螺的數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計

本設(shè)計采用國內(nèi)某型全數(shù)字閉環(huán)保偏光纖陀螺，標度因數(shù)，分辨率，帶寬200Hz，工作電流0.7A，其輸出信號為脈沖信號，X、Y、Z各軸分別輸出正反兩路信號，即GXPIN、GXNIN、GYPIN、GYNIN、GZPIN、GZNIN，一定周期內(nèi)正反信號脈沖個數(shù)的差值與標度因數(shù)相乘即為該軸向陀螺輸出的角速度值。光纖陀螺的數(shù)據(jù)采集電路如圖4所示。

圖4 光纖陀螺的數(shù)據(jù)采集電路結(jié)構(gòu)圖

2.3 脈沖信號計數(shù)模塊

光纖陀螺的脈沖信號經(jīng)過前端處理電路后進入計數(shù)模塊，本設(shè)計在FPGA內(nèi)部用Verilog HDL語言編寫計數(shù)器模塊，實現(xiàn)在規(guī)定時間內(nèi)記錄每路信號的脈沖數(shù)。計數(shù)模塊內(nèi)部包括16位計數(shù)器，定時器，六路選擇開關(guān)。由于系統(tǒng)采樣頻率設(shè)為1000Hz，因此定時器的定時中斷設(shè)為1ms。該模塊能對六路脈沖信號同時計數(shù)，通過Nios II軟核處理器的I/O口對其控制，確保對光纖陀螺計數(shù)的準確性和實時性。光纖陀螺脈沖計數(shù)的原理框圖如圖5所示。

圖5 光纖陀螺脈沖計數(shù)原理框圖

通過用Verilog HDL語言分別編寫上述各單元的功能模塊，然后在上層文件中例化，編譯后生成的文件符號如圖6所示，引腳定義如下：

GXPIN、GXNIN、GYPIN、GYNIN、GZPIN、GZNIN：光纖陀螺輸入脈沖信號；

圖6 光纖陀螺信號接收計數(shù)器

aclr_n：計數(shù)器清零使能信號；

cnt_en：計數(shù)器計數(shù)使能信號；

clk：時鐘信號；

cnt_addr[2..0] ：六路信號選擇輸出信號；

cnt_data[15..0] ：數(shù)據(jù)輸出；

cnt_interrupt：定時中斷輸出信號；

3 導航計算機軟件設(shè)計

導航計算機的實時性和可靠性要求很高，采用嵌入式實時操作系統(tǒng)設(shè)計導航計算機軟件。由于Nios II IDE已經(jīng)移植好了uC/OS-II，再加上uC/OSII小巧、源代碼公開、注解詳細、實時性強、可移植性好、多任務(wù)、基于優(yōu)先級的可剝奪型調(diào)度的特點，選擇它作為嵌入式導航計算機的軟件運行環(huán)境。光纖陀螺捷聯(lián)導航系統(tǒng)應包含三個ISR（光纖陀螺數(shù)據(jù)采集ISR、加速度計數(shù)據(jù)采集ISR和串口發(fā)送ISR）和4個任務(wù)：“初始化任務(wù)”、“數(shù)據(jù)采集任務(wù)”、“捷聯(lián)導航解算任務(wù)”、“串口發(fā)送任務(wù)”。光纖陀螺和加速度計采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波處理后分別用一個全局數(shù)組來存儲，供導航解算任務(wù)使用，并配備了一個互斥信號量。導航解算任務(wù)生成的數(shù)據(jù)存儲在全局數(shù)組變量中，配備互斥信號量，串口通信任務(wù)根據(jù)接收到的指令發(fā)送導航信息。系統(tǒng)總體任務(wù)關(guān)聯(lián)圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)總體任務(wù)關(guān)聯(lián)圖

在本系統(tǒng)中的4個任務(wù)設(shè)計中，初始化任務(wù)創(chuàng)建其余的三個任務(wù)，因此優(yōu)先級最高，設(shè)為8，陀螺和加速度計的采樣是關(guān)鍵任務(wù)，優(yōu)先級設(shè)10，導航解算任務(wù)優(yōu)先級設(shè)為12，串口通信任務(wù)設(shè)為14。在本設(shè)計中，因為要用到兩個互斥型信號量，所以必須為這兩個互斥型信號量分配優(yōu)先級，這個優(yōu)先級要高于所有申請互斥信號量的任務(wù)優(yōu)先級，分別設(shè)為5，6。本系統(tǒng)中的4個任務(wù)的聲明如下：

void initial_task(void *pdata); //初始化創(chuàng)建任務(wù)，優(yōu)先級8

void fog_task(void *pdata);//陀螺計數(shù)和加速度計采樣任務(wù)，優(yōu)先級10

void calc_task(void *pdata); //導航解算任務(wù)，優(yōu)先級12

void scom_task(void *pdata); //串口發(fā)送任務(wù)，優(yōu)先級14

在以上任務(wù)中，initial_task()為一次性任務(wù)，創(chuàng)建完其它任務(wù)后自行刪除，其他任務(wù)都是周期性任務(wù)。

4 結(jié)束語

通過對整個系統(tǒng)與三軸轉(zhuǎn)臺進行軟硬件聯(lián)合測試，測試結(jié)果表明該系統(tǒng)在姿態(tài)、位置、速度誤差都控制在1%以內(nèi),具有很高的實用價值。使用SOPC方法在FPGA上設(shè)計嵌入式導航計算機，其軟硬件協(xié)同的設(shè)計模式適合了捷聯(lián)導航系統(tǒng)對處理能力和接口能力的要求，具有很強的應用價值和應用前景。

[1] 陳哲編.捷聯(lián)慣導系統(tǒng)原理.北京:宇航出版社,1986.

[2] 龍達峰.基于SOPC技術(shù)的彈載組合導航系統(tǒng)的應用研究[D].中北大學,2008.

[3] 李蘭英,等.Nios II嵌入式軟核處理器SOPC設(shè)計原理及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2006.