基于ARM的慣性敏感器嵌入式信號處理系統設計*

劉 琴,楊鵬翔,林宏波,鄧盼盼

(西安現代控制技術研究所, 西安 710065)

0 引言

隨著無人戰機、巡航導彈以及各種精確制導炸彈的快速發展,現代戰爭對于小型化、低成本、高精度的精確制導武器的研制尤為重要[1]。慣性導航系統是精確制導武器中重要部件之一,它通過對慣性傳感器信號的采集和處理獲得載體在導航坐標系下的運動信息,從而解算出導航信息實現目標攻擊,信號處理的精度與實時響應速度直接影響目標攻擊的準確度,因此慣性導航信號處理系統的設計至關重要。

考慮制導武器應用環境對慣性導航系統體積、精度、成本及通用化的要求,采用捷聯慣性導航方案,陀螺儀選用三軸一體光纖陀螺,具有成本低、體積小、動態測量范圍大和數字輸出等特點[2],加速度計采用石英撓性加速度計,具有成本低、技術成熟度高的優勢。

1 系統方案

文中主要實現慣性敏感器信號的采集、實時處理及導航解算,系統主要由電源轉換電路、慣性測量單元(三軸一體光纖陀螺儀及加速度計)、加速度計信號采集電路、導航計算機電路及其軟件、通訊接口電路組成[3]。系統組成如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖

電源轉換電路將外部輸入電源轉換為系統各電路所需電壓;三軸一體光纖陀螺用于測量系統相對慣性空間的角運動,3只正交的加速度計用于敏感系統相對慣性空間的線運動加速度;加速度計信號采集電路將加速度計輸出的模擬電流信號轉換為數字信號;導航計算機電路采用ARM架構,實現信號采集、通訊、時序邏輯及導航解算等功能;通訊接口電路實現串口通信。

2 各子模塊設計

2.1 電源轉換電路設計

電源轉換電路負責給整個系統供電,其設計輸入電壓范圍為18～32 V;支持兩路獨立的電源輸入及EMI濾波,具有反向通電截止、過流保護等防護功能。

電源轉換電路設計輸出電壓可為三軸一體光纖陀螺組合提供±5 V電源;為加速度計提供±15 V電源、為加速度計信號采集電路提供5 V、3.3 V、1.8 V電源及2.5 V基準電壓源;為導航計算機電路提供3.3 V電源；為通訊接口電路提供5 V、3.3 V電源。

2.2 加速度計信號采集電路設計

加速度計輸出信號為微電流信號,需要通過轉換電路將其變為數字信號發送給導航計算機,因此轉換電路對信號轉換的準確性與穩定性,將直接影響慣性導航裝置的精度。電流信號轉換電路的實現方案一般為基于累積效應的電流到頻率的轉換[4](簡稱IF轉換)和基于逐次逼近的AD轉換。

IF轉換是通過對電流積分達到電荷平衡實現電流信號轉換為頻率信號,轉換精度高,但組成電路復雜,設計難度大,調試工作量大,占用PCB空間,尤其在大電流輸入時由于其發熱嚴重,轉換精度性能下降。

AD轉換電路設計簡單、集成度高、體積小、輸入范圍寬[5],但為保證其精度、實時性和抗干擾性,AD芯片的選型及其信號處理電路的設計尤為重要。文中采用了AD轉換的方式對加速度計輸出的電流信號進行轉換處理。

2.2.1 信號調理電路設計

加速度計直接輸出為電流信號,AD芯片的輸入為電壓信號,故需先對加速度計輸出信號經過電流電壓轉換。在電流電壓轉換電路中選用的是具有高共模抑制比、低漂移、軌對軌、低噪聲的 LTC2053運算放大器。三路加速度計的輸出信號分別通過圖2所示的電路圖實現電流電壓轉換。

圖2 電流電壓轉換電路圖

經過電流電壓轉換后得到的是單端的電壓信號,需要設計一個單端轉差分的低噪聲模擬信號調理電路。選擇全差分運算放大器THS4521來實現單端轉差分信號,用運算放大器和 RC 構成的低通濾波器對輸入信號進行調理,同時將單端信號轉換為差分信號供AD 芯片采集。電路設計簡單,且可有效抑制高頻噪聲,抗干擾能力強。電路設計如圖3所示。

圖3 差分調理電路圖

2.2.2 AD轉換電路設計

加速度計信號采集電路的核心是AD轉換器,本設計中選用的是美國 TI 公司具有四通道24 bit分辨率的Δ-Σ 型模數轉換器ADS1274[6]。ADS1274的采樣速率高,可高達144 ksps,無噪聲精度能夠達到24 bit,非線性度最大為±0.001 2%,內部集成了多種濾波器,同時ADS1274的配置操作十分簡單。ADS1274芯片的內部參考電壓為2.5 V,該電壓的穩定性直接影響數字信號轉換的精度,故采用高精度電壓基準芯片REF5025提供參考基準電壓。

ADS1274通過SPI接口[7]實現與ARM的信息交互,其SPI主要引腳包括SCLK、SYNC、DRDY及DOUT,實現對ADC的控制及數據讀取。

2.3 導航計算機系統設計

2.3.1 導航計算機電路設計

導航計算機是整個系統的核心,采用ARM作為專門的數字信號處理器,主要完成信號采集、初始對準、導航解算及通信功能。ARM微處理器具有較高的解算速度和豐富的接口[8],能同時采集多路數字和模擬信號,具有成本低、體積小、功耗低等優點。選用ST公司的ARM處理器STM32F765[9],其工作頻率高達216 MHz,462DMIPS/2.14DMIPS/MHz(Dhrystone2.1) DSP指令,雙模Quad SPI,屬于 STM32 中運行速度較快的一款處理器。STM32F765的外圍電路主要包括時鐘電路、復位電路、啟動方式配置電路、JTAG仿真器接口電路等。

2.3.2 導航計算機軟件設計

ARM的底層驅動軟件實現硬件與軟件之間的信息交互,完成對硬件電路的控制和數據讀寫;系統軟件主要完成系統的任務分配、通訊及功能實現[10]。軟件設計采用模塊化、結構化的方法,由C語言編寫,可進行在線仿真,主要流程圖如圖4所示。其中系統初始化完成各參數變量初始化、串口配置等功能;自檢模塊通過采集慣性器件的信息來判斷其是否工作正常,同時檢測各串口功能及系統當前的工作狀態并輸出結果;數據采集模塊主要采集通過RS422串口的光纖陀螺儀信息和SPI總線的加速度計信息;通訊模塊負責與其他設備進行通訊,并在導彈飛行過程中輸出彈體相對發射坐標系的姿態、速度、位置、角速度和加速度等導航信息;慣性導航解算模塊是利用光纖陀螺儀信息、加速度計信息及其他導航信息進行導航解算。

圖4 慣性導航系統軟件流程圖

2.4 通訊接口電路設計

系統主要通過串行接口與外界進行通訊,選用ADI公司隔離型 RS422 收發器ADM2582 ,其接口為差分傳輸方式,芯片內部集成磁隔離電源,無需外部隔離電源供電,抗干擾能力強,傳輸距離遠,可5 V或3.3 V供電,傳輸速率高達16 Mbit/s,滿足系統對外通訊的要求。

3 實驗結果和分析

根據某型空地導彈通用慣性導航系統的要求,選用的三軸一體光纖陀螺輸入量程為-800～800°/s;加速度計測量范圍為-20～20g,標度因數為0.7 mA/g。對應加速度計信號采集電路的主要技術要求為:輸入電流范圍為-14～14 mA,非線性度(正負通道)≤5×10-4。

3.1 加速度計信號采集性能分析

為驗證加速度計信號采集電路的性能,采用FLUKE5522A基準源輸出的高精度電流信號來模擬實際加速度計信號,給系統其中一路加速度計采集端口輸入不同電流值,分別記錄不同輸入電流時的原始轉換測量數據,典型測試數據結果如表1所示。

表1 典型測試結果

測試結果計算可得其正向線性度為3.9×10-5,負向線性度為1.35×10-4,均滿足系統要求,驗證了加速度計信號采集電路設計的正確性。實驗結果表明：采用AD轉換電路方案可行,其非性度等性能與IF轉換電路在一個數量級,大大簡化了設計及調試工作量;同時AD轉換電路的電流輸入范圍相對于IF轉換電路,不受拘束,應用范圍更廣。

3.2 系統性能分析

為驗證系統總體性能,進行了跑車實驗,并利用在同平臺下的基于DSP+FPGA的高精度衛星組合導航系統進行了相關實驗作為參考基準。將采用純慣性導航系統的輸出信號與衛星組合導航系統輸出信號進行比較,繪制出其姿態、姿態誤差、位置及位置誤差曲線如圖5～圖8所示。

圖5 慣性導航與參考組合導航的姿態角曲線

圖6 慣性導航姿態角與參考姿態角的偏差曲線

圖7 慣性導航與參考組合導航的位置曲線

圖8 慣性導航與參考位置的偏差曲線

計算出純慣性導航的姿態角誤差均方根(RMS)為:航向角誤差0.016°,俯仰角誤差0.005°,滾轉角誤差0.013°;速度誤差均方根(RMS)為:北向速度誤差0.11 m/s,天向速度誤差0.1 m/s,東向速度誤差0.07 m/s;120 s純慣性導航最大位置誤差為:緯度誤差-4.45 m,經度誤差13.09 m,高度誤差14 m。

從實驗曲線與數據可以看出,文中所采用的純慣性導航系統的姿態、位置及速度精度較高,與高精度衛星組合導航系統相差不大,可滿足大多數精確制導武器慣性導航系統的要求。

4 結論

設計了一種基于ARM的嵌入式慣性導航信號處理系統,實現了三軸一體光纖陀螺和加速度計的信號實時采集及處理,系統的導航解算等。通過實驗驗證了系統滿足設計要求,具有小型化、低成本、高精度等特點,可廣泛應用于多種慣性導航裝置。