惯导信息数据采集系统的设计与实现*

程荣涛 傅 军

(1.海军驻武汉四三八厂军事代表室 武汉 430060)(2.海军工程大学 武汉 430033)



惯导信息数据采集系统的设计与实现*

程荣涛1傅 军2

(1.海军驻武汉四三八厂军事代表室 武汉 430060)(2.海军工程大学 武汉 430033)

论文针对目前惯导系统数据采集电路的各个功能电路需要使用分立元件进行实现,电路的体积通常都比较大,电路的期间和布线也比较多,不利于保证数据采集电路可靠性的现状,基于CPLD和DSP构建了小型嵌入式光纤陀螺数据测试系统,应用于某单轴旋转光纤陀螺捷联惯导系统中。通过实验,验证了论文构建的数据测试系统的有效性和准确性。

惯性导航系统; CPLD; DSP; 数据采集

Class Number TN929.3

1 引言

目前,惯性导航系统信息数据采集电路的研究主要集中在应用新型的数字信号处理芯片和仪表信号的误差补偿技术两个领域[1]。

过去,惯导系统数据采集电路的各个功能电路需要使用分立元件进行实现[2],电路的体积通常都比较大,电路的期间和布线也比较多,不利于保证数据采集电路的可靠性。另外,个别功能电路设计的更改,需要整个电路的重新设计和制作,既增加了电路的研究成本,又浪费了研究人员宝贵的设计时间。本文将CPLD、DSP等器件应用在惯导信息数据采集系统中,取得了较好的效果。

2 陀螺仪和加速度计外围电路设计

根据陀螺和加速度计数据采集和测试需求,将采集电路系统分为CPLD脉冲采集系统、DSP数据处理系统、加速度计温度AD采样系统、上位机系统[3]。系统结构如图1所示。

光纤陀螺测量的角速度信息以角增量的形式输出,信号根据内部电路转化为脉冲信号,而加速度计测量的加速度信息为电流输出,属于模拟量,因此需通过相应的I/F转换电路转换为脉冲信号[4]。基于CPLD的逻辑电路可以实现对陀螺和加速度计脉冲信号的同时采集。光纤陀螺的温度信号由内置的温度传感器18B20输出,数据为数字量,因此可用系统DSP芯片进行读取。加速度计的温度信号由内置的温度传感器以电流形式输出,因此需通过搭建外围温度采集电路实现信号的采集[5]。随DSP含有A/D转换接口,但其转换精度有限,加速度计的温度信号属于微弱信号,因此构建了基于Analog Device公司的AD7738芯片,实现温度的A/D采样。AD7738与DSP之间通过增强型串口实现通讯和采样。DSP将采集的光纤陀螺和加速度计的信号输出、温度输出信息通过通用串口形式与上位机通讯,上位机通过相应的软件实现数据的采集和存储。

图1 系统总体结构框图

光纤陀螺属于中高精度惯性器件,因此对DSP的运算速度和精度要求较高,同时考虑到惯性器件的温度敏感性,要求芯片具有较小的功耗。综合上述因素以及微处理器的外围扩展电路需求,选择TI公司C2000系列的TMS320F28335芯片。该芯片具有150MHz的高速处理能力,32位浮点处理单元。与以往的定点DSP相比,该器件具有精度高,成本低,功耗小,性能高,外设集成度高,数据以及程序存储量大等优点。它采用内部1.9V供电,外部3.3V供电,因而功耗大大降低[6]。

芯片具有88个可编程的复用GPIO引脚,完全满足系统测试的接口需求。芯片具有3个32位的定时器,定时器0和定时器1用作一般的定时器,定时器0接到PIE模块,定时器1接到中断INTl3;定时器2用于DSP/BIOS的片上实时系统,连接到中断INTl4,能够满足系统和外设的时钟需求。同时具有2通道CAN模块、3通道SCI模块、2个MCBSP(多通道缓冲串行接口)模块、1个SPI模块、1个主从兼容的串行总线接口模块的串行外设,为系统与外设提供了丰富的数据通讯模式[7]。

首先进行TMS320F28335的最小系统设计,判断芯片各种功能是否满足光纤陀螺IMU的测试需求。最小应用系统包括复位电路,时钟电路、电源及存储器等。TMS320F28335具有片上Flash,0TPROM及SARAM存储器,在设计最小应用系统时无需考虑外部存储器接口问题[8]。

1) 复位电路的设计

复位电路采用上电复位,由电源器件给出复位信号。电源上电后,系统便处于复位状态。当XRS为低电平时,DSP复位。为使DSP初始化正确,应保证XRS为低电平并至少保持三个CLKOUT周期。同时在上电后,该系统的晶体振荡器一般需要100ms～200ms的稳定期。所选的电源器件TPS73HD318加电,其输出电压紧随输入电压,当输出电压达到启动RESET的最小电压时(温度为25℃时,其电压为1.5V),引脚RESET输出低电平,并且至少保持200ms,从而满足复位要求。

2) 时钟电路的设计

将外部时钟源直接输入X2/CLKIN引脚,X1悬空,采用已封装晶体振荡器为系统提供时钟。外部晶体的工作频率为30MHz。TMS320F28335内部具有一个可编程的锁相环,可根据所需系统时钟频率对其编程设置[9]。

3) JTAG仿真接口

TMS320F28335具有符合IEEEll49.1标准的片内扫描仿真接口(JTAG),该接口通过仿真器直接访问,为了能与仿真器通信,所设计的最小系统板上应有14引脚的仿真接口,其中的EMU0和EMUl信号必须通过上拉电阻连接至电源,其中上拉电阻为4.7kΩ。

4) 供电电路

由TMS320F28335组成的应用系统内核电压(1.9V)与I/O供电电压(3.3V)不同,电源部分利用两路输出电源器件TPS73HD318来实现,如图2所示。在输入端接入0.1μF的贴片电容,具有滤除噪声,提高响应速度。输出端接入33μF的固体钽电容接地,可有效保证满载情况下的稳定性[10]。TPS73HD318提供两路电压为1.9V和3.3V的输出,给DSP系统供电。

CPLD芯片选用Altera公司的EPM1270芯片,其最小系统包含供电电路、复位电路,接口电路和时钟电路。CPLD采用3.3V供电,同时在电源输入端接入0.1μF的贴片电容滤波去噪。复位电路采用上电复位,由电源器件给出复位信号,同时在复位端接入一下拉电阻。为了能与仿真器通信并访问CPLD内存,系统应具有10引脚的仿真接口,其中TMS和TDI信号通过10KΩ上拉电阻连接至电源。采用已封装的30MHz晶体振荡器为系统提供时钟,将其直接输入CPLD的CLKIN引脚。

图2 DSP供电电路

EPM1270芯片内部集成了1000个基本逻辑门,具有144个引脚,其中28个引脚为电源或编程引脚,其余116个引脚为可编程引脚。当需要增加新的逻辑功能时,只需改变片内程序,而不必改动硬件电路。EPM1270芯片具有高速的逻辑处理能力,可基于Quartus软件开发环境,使用VHDL语言可对CPLD内部逻辑进行编程。以DSP的信号输出为中断源,通过对CPLD内部电路进行逻辑设计对输入的脉冲信号进行判断计数,将固定时间内的脉冲信号数以数字信号的形式通过I/O发送到DSP,实现光纤陀螺IMU中脉冲信号的计数。

加速度计的I/F转换电路采用航天科工惯性技术有限公司的加速度计专用I/F转换电路板。该板采用5V电源供电,同时需接入±15V电源给加速度计供电。输入信号为三个轴向加速度计的感应的加速度电流信号,输出为转换后的脉冲信号。转换结果包括6路脉冲,分别对应三个轴向加速度计的正负方向加速度大小。

I/F转换板的量程为±10mA,而加速度计的标度因数为1.6mA/g,I/F转换板的最大输出频率为256KHz,由此可得到I/F转换板的转换加速度的最小分辨率为50。

加速度计的内置温度传感器为模拟传感器,其温度信号以电流形式输出,为此设计了相应的温度信号A/D转换电路实现温度信息的采集。AD7738的具有24位模数转换精度,非线性度达到0.0015,最多支持8通道转换,最高采样速率为15KHz。同时,用户可以通过需求自定义其输入范围以提高采样分辨率。AD7738具有SPI、QSPI、MICROWIRE数据接口,可与DSP实时通讯。基于高精度可编程的A/D转换芯片AD7738构建了加速度计温度采样电路,其管脚电路连接如图3所示。

图3 温度信号A/D转换电路

模拟和数字部分分开供电和接地,以减小电路间干扰。芯片通过MCLKIN和MCLKOUT与外部6.144M晶振连接为其通过主时钟信号。AIN0-AIN7为8通道转换的模拟信号输入。芯片通过CS、SCLK、RDY、DIN、DOUT信号端与DSP通讯以实现温度采集。其中,CS为片选信号,低电平有效,SCLK为DSP提供的时钟信号,RDY信号为ADC完成数模转换的逻辑输出,DIN为DSP进行AD7738储存器读写操作的输入信号,而DOUT为温度转换结果。通过DSP编程对其存储器进行相应的读写可完成多通道的连续数模转换,其转换和数据读写时序如图4所示。

图4 温度采集时序

5) 通讯电路

DSP完成数据采集后,将采集的陀螺和加速度计的数据以ASCII码的形式通过RS-232串行接口发送到上位机中。上位机利用设计的数据采集软件实现数据的接收、解码和储存等相关处理。

3 采集软件设计与实现

DSP完成数据采集后,将采集的陀螺和加速度计的数据以ASCII码的形式通过RS-232串行接口发送打数据采集计算机中。采集计算机基于LabVIEW的图形化编程语言实现数据的接收、解码和储存等相关处理。

上位机通过RS-232串行接口接收数据采集DSP发送的陀螺和加速度计数据,基于LabVIEW的图形化编程语言设计了光纤陀螺IMU数据测试软件,界面如图5所示,实现了光纤陀螺和加速度计的输出信息、温度信息的接收、解码和存储。

图5 IMU测试系统软件界面

数据采集DSP将采集的陀螺和加速度计数据通过一定的协议以ASCII码的形式编码、传输,上位机接收数据后根据通讯协议进行相应解码后存储。IMU数据为变化量,因此得每次发送信息并不是固定字长,在LabVIEW中,进行串口读写控件均为固定字长的读取,为了保证数据解码的准确性和实时性,因根据接收的固定字长ASCII码进行设计相应的解码算法。利用通过对数组进行字头字符串和回车符索引实现了不固定字长数据的分条读取和解码。同时,数据在传输硬件通讯过程中,可能出现数据误码现象,因此在进行串口读取后,应对数据传输进行误码检测,剔除乱码。

4 实验测试

图6 陀螺和加速度计输出数据

基于上述最小系统和外围电路的设计,构建了小型嵌入式光纤陀螺数据测试系统,应用于某单轴旋转光纤陀螺捷联惯导系统中。系统电路板固定在旋转轴上,三个轴向的光纤陀螺和加速度计的输出和温度信号通过系统电路板进行采集,测试数据通过RS-232接口与外部计算机通讯,从而实现了光纤陀螺IMU的信号和温度信息的采集。陀螺和加速度计通电后,利用构建的系统进行了IMU静态条件下的多次测试试验。测试时,IMU的Z轴陀螺轴向下,水平陀螺方位角任意,数据采集时间3.5小时,采样间隔为0.01s。其中图6为三轴陀螺和加速度计输出进行1s平均的结果,图7三轴陀螺和加速度计通电工作后的温度变化。

图7 光纤陀螺IMU温度输出

5 结语

在IMU通电工作后,其惯性器件温度升高,其信号受温度影响。利用多次测试数据,扣除稳定工作前数据、重力加速度和地球自转分量,进行了陀螺和加速度计主要指数指标计算。计算结果与器件出产参数比较,器件精度处于一个数量级(陀螺和加速度计指标受逐次、逐日重复性的限制不可能完全相同),验证了本文构建的数据测试系统的有效性和准确性。

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Design and Realization of Inertial Navigation Information Data Acquisition System

CHENG Rongtao1FU Jun2

(1. Navy Representative Office in Wuhan 438 Factory, Wuhan 430060) (2. Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

At present, each functional circuit of data acquisition system needs discrete components to realize its function circuits are usually bulky, and wiring and duration are much unhehp for maintaining the reliability of data acquisition circuit. Based on CPLD and DSP, a small embedded data test system based on fiber optic gyroscope is constructed, and applied in a single axis fiber optic gyroscope strapedown inertial navigation system. The experiment proves the effectiveness and accuracy of data testing system.

inertial navigation system, CPLD, DSP, data acquisition

2015年3月2日,

2015年4月27日

程荣涛,男,硕士,工程师,研究方向:导航系统工程。傅军,男,博士,讲师,研究方向:导航系统工程。

TN929.3

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.027