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科赫低成本SIN S／GPS导航系统硬件平台设计何亮科I技}论j 坛( 南京电子二十八所，江苏南京210007)摘要：本系统采用1片高速浮点型DSP芯片TM S320C6713B作为导航计算机。满足l O m s内完成18阶kal m an运算；采用FPG A实现外围接口扩展和数字滤波；运用高速高精度ADSl 258采集1M U 数据，满足挠性陀螺精度要求；采用低价格GPS接收机，进一步降低成本。关键字：导航计算机；DSP；GPS接收机；FPGAAbstract：The system adoptsapi ece of hi sh speedfl oat D SP CM O S chi p TM S320C6713Bcry i nterface anddi gi talKey w ords：navi gati on com puterD SPG PS recei verFPG A1概述导航中A／D转换器的转换精度必须在17位以上；A／D采样频率需在20KH z以上( 保证6通道量测数据采集频率大于4KH z) ，而kal m an运算需在7m s内完成。基于上述技术要求，本文设计了低成本的导航平台。2系统组成IM U 受体积、重量及成本的限制，采用重庆453厂的低成本、小体积的挠性陀螺；GPS接收机采用H em i sphere公司生产的低价格( 小于3000元) 、精度适中的O EM 板( CEP<15m ) ；系统CPU 采用高速数字处理器TM S320C6713B，外围接口采用一片大规模可编程逻辑器件FP—GA，完成导航系统全部的内部逻辑控制和对外接口任务；IM U 数据采集器采用高精度24位乏一△ 型ADSl 258转换器。硬件系统框图如下：样频率在4．4KH z时，系统量测信号的转换精度可稳定在18位。量测信号转换电路框图如下：asnavi gati on com puter；FPG A i m pl em ent peri ph—set Low erpri ce．fi l ter；U si ng hi gh speed，preci si onAD Sl 258 coH ect I M Udata．Low - pri ceG PS recei ver图1系统硬件框图IM U 输出的模拟量测数据和G PS接收的数据通过FPGA数字滤波处理、数据可靠度处理后送给CPU ( TM $320C6713B) ，由CPU 进行kal m an算法处理；另外两个通讯口( RS232和RS422) 均由FPG A实现。方案中CPU 对外只扩展了一片FLASH ，来存储程序代码，程序运行全部在CPU 内完成。通讯用数据存放都由FPGA完成，这样不仅提高了系统工作可靠性，而且缩小了硬件系统体积。2．1导航处理器导航处理器是系统的核心，主要由一片DSP( TM S320C6713B) 、1片FLASH 组成。DSP主频200M ，32位浮点型可同时执行八条指令，单精度运算可达1G FLO PS，双精度运算可达250M FLO PS，内部有192Kb” e内存，全部用于导航程序运行。通过总线接口EM IF外扩1M 字节FLASH ，存放整个系统程序代码。TI公司为TM S320C6X系列处理器提供了强大的硬件开发工具和软件应用函数库，为处理器的工程应用提供了可靠保证。2．2高精度AD数据采集转换系统采集的信号电压量程为± l O V，角速度量程为± 100度，秒，加速度计量程为．4-10G。根据挠性陀螺测量指标，能敏感到千分之一度的变化。因此：AD位数=logz蒜217考虑到精度和速度问题，选用TI公司最新上市的ADSl 258芯片。该芯片为24位∑一△型模数转换器，具有16路单通道或8路差分通道输入，本系统采用差分输入模式。其最大特点是精度高，采样速度快。固定通道采样速率可达125KH z，自动通道检测模式采样速率为23．7KHz。模拟电压输入范围为4-2．5V。量测信号经过信号调理电路，去除信号中混杂的l O O H z以上的干扰信号，送给ADSl 258模拟信号输入端。软件控制ADSl 258采用自动通道检测模式，打开6个单通道，关闭其余通道，并循环采集6个通道的电压，一次循环时间不到300H8。经过实际调试，当6通道采样数据，采bi t图2 AD 采集系统FPG A主要完成的工作是对AD芯片进行读写控制，并对接收来的数据进行数字滤波处理，每10m s送一组有效数据给DSP，使DSP完成工作节拍内的解算。2．3 FPG A设计选用cycl one系列EPl C3型号，其内嵌了13个4K大小的RAM ，在系统中，FPG A不仅实现了板上控制逻辑接口，而且完成了所有对外的通讯接口，主要设计如下：2．3．1 FPG A完成一个SPI端口功能，以中断的方式读取ADSl 258的模数转换结果并存放于内嵌RAM 中，在FPG A中实现数据的数字滤波均值算法，处理结果以中断形式发送给D SP。2．3．2 FPG A实现一个RS232通讯接口和一个RS422通讯接口，通讯波特率最高可达640．4Kbps。RS232用于接收GPS信息，通过对FPG A的硬件编程，使FPG A接收完G PS信息后以中断方式将数据发给DSP。采用这种传输方式，RS232端口通讯与DSP得以并行工作，进一步提高了对GPS信号实时处理。2．4 G PS信息处理IM U 长时间工作其误差是积累的，需采用GPS进行校正。一般GPS接收机的数据输出都会产生一定的延迟。我们在工程应用中采用了H em i sphere公司的可升级到IO H Z刷新频率的O EM 板，通过对该O EM 板的实验测定，数据传输延迟时间为25m s( 板价格小于3000元) 。对GPS数据采用了以下几种优化方法：a．提高串行传输的波特率，数据传输波特率为230．4Kbps；b．设置GPS以二进制形式传输数据，而不是以前标准的N M EA0183( ASCII码) ；c．采用FPG A对G PS数据采集，省去了DSP对外操作所占用时间；d．导航算法里对接收机产生的时延加以补偿。通过以上优化方法，使系统很好地满足GPS信号的实时要求。结束语本系统以DSP为核心，采用高精度高速AD芯片和低价格、中等精度的GPS接收机，利用FPGA作为外部接口扩展，加快了处理速度，缩小了系统体积，提高了系统的工作可靠性。经实测：18阶卡尔曼滤波算法耗时不到4m s。该硬件平台也为将来导航计算机与主控计算机合二为一提供了可能性。参考文献f11刘宝琴，ALTERA可编程逻辑器件及其应用『M 1．北京：清华大学出版社，1995．[2]刘顺兰等编著，数字信号煺=DigitalProcessi ng[M ]．西安：西安电子科技大学出版社，．Si gnal2003，8．[3]PaulG ui dance．Publ i shed byof Aeronauti es and Astronanti cs．Inc．1 994Zarchan．Tacti caland Strategi c M i ssi l ethe Am eri can Insti tute—30—万方数据