基于VC33和EPM7512的导航计算机设计

高志峰，董明杰，石永生

(北京理工大学 自动化学院，北京 100081)

·计算机及网络技术应用·

基于VC33和EPM7512的导航计算机设计

高志峰，董明杰，石永生

(北京理工大学 自动化学院，北京 100081)

为了满足捷联式惯性导航装置对小型化、低成本及高精度等方面的要求，设计了一种基于VC33和EPM7512的嵌入式导航计算机。介绍了导航计算机软硬件设计的方案及实现方法。经验证，该系统体积小、功耗低、精度高、实时性好，能够满足捷联式惯性导航装置的需要。系统还可以用于实验教学，使学生对导航计算机和嵌入式系统有直观的认识。

捷联惯导装置；导航计算机；VC33芯片；EMP7512芯片

在军、民领域中的各类飞行器上，捷联式惯性导航系统(简称:惯导系统)作为一种现代化导航设备已经被广泛应用，尤其在现代军事武器领域中更是发挥着举足轻重的作用。而导航计算机是惯导系统最重要的部件之一，它既是惯导系统数据运算处理中心，又是惯导数据采集中心，还是系统与外部的通信中心。因此，导航计算机任务繁重，处理信息量大，实时性要求高[1]。

传统的惯导系统导航计算机多采用PC104或者单片机作为处理器，此类系统通常存在体积大、功耗高或者运算速度慢、无法满足实时性要求等问题。而且，在采用一个CPU的导航计算机中，通常数据采集通道和通信通道会占用系统大量的资源，延长CPU数据处理的周期，严重影响了导航计算机的速度。

本文设计了一款基于DSP(数字信号处理器)和CPLD(复杂可编程逻辑器件)的导航计算机，利用DSP强大的数据处理能力和CPLD的高度集成、编程灵活及低功耗的特点, 使得DSP+CPLD的组合能够胜任导航计算机对运算能力、接口和小型化的要求。这里的DSP选取TI公司的VC33，CPLD选取ALTERA公司的EPM7512。

VC33是美国TI公司于2001年推出的性价比很高的高性能浮点DSP芯片。它以高速、低功耗、低成本、易于开发为显著特点[2]，克服了以前C30、C31、C32在接口、引导、存储器扩展等方面的不足。它具有高速的浮点运算能力，在13 ns单周期能进行最高150兆次浮点运算(million floating-point operations per second，MFLOPS)和75兆次指令(million instructions per second，MIPS)。

EPM7512是美国ALTERA公司MAX7000系列中的一种CPLD[3-4]。它基于先进的多阵列矩阵(MAX)架构，采用了先进的CMOS工艺制造，具有512个宏单元的密度，速度达到3.5 ns的管脚到管脚延迟；支持在系统可编程能力(ISP)，可以在现场轻松进行重配置，利用Quartus II作为开发工具，界面友好，集成化程度高，为高速应用提供了很高的性价比。

1 系统硬件设计

导航计算机的硬件是由数据接口模块、数据输入模块、AD采集模块、导航解算模块、数据输出模块等五大模块组成，如图1所示。

图1 系统硬件组成框图

导航计算机的工作原理是：VC33和EPM7512配合完成数据采集，VC33读取数据采集结果，进行导航解算，将解算结果存储到双口RAM中，再通过全双工异步串行收发器UART与上位机进行通信，输出导航结果。其中：

1)数据接口模块由光电耦合芯片组构成，惯导系统的惯性测量单元(IMU)的输出经过电流/频率(I/f)转换电路转换为数字信号后，通过光电耦合芯片去除噪声输出CMOS电平形式的脉冲信号。

2)数据输入模块由EPM7512通过高速硬件描述语言(VHDL)编程实现的部分功能模块构成，包括多路可逆计数器、译码器、双口RAM1。数据接口模块输出的CMOS脉冲信号通过可逆计数器得到单位时间的脉冲结果，存储在双口RAM1中，等待VC33对其进行定时读取；译码器可以控制各模块的访问地址，保证各部分协调工作。

3)AD采集模块由桥式测温电路、差分放大电路、正向放大电路、模数转换电路构成。桥式测温电路测出惯导系统惯性器件的温度变化值，通过差分放大电路和正向放大电路后进入模数转换电路，转换成数字信号输入VC33。

4)导航解算模块由VC33和FLASH构成。FLASH存储导航程序及参数，VC33读取数据输入模块的双口RAM1中的数据后，经过误差补偿、姿态变换、导航解算，将导航结果输出到数据输出模块的双口RAM2中。

5)数据输出模块由EPM7512的部分功能模块以及RS-422串口芯片构成，EPM7512中的模块包括UART、双口RAM2。VC33经过导航解算后的导航结果存储在双口RAM2中，双口RAM2中的数据经过UART进行并串转换，输出CMOS电平的导航结果通信数据，再经过RS-422串口芯片，输出给上位机进行通信。

2 系统软件设计

VC33的软件开发采用集成开发环境CCS实现。CCS是TI公司推出的DSP开发环境，集成Simulator和Emulator仿真器驱动程序，与C语言有良好的数据交换接口。

图2 系统软件工作流程图

EPM7512的软件平台是ALTERA公司提供的CPLD/FPGA设计软件Quartus II[5-7]，它具有可视化、集成化等优点，可以完成从设计输入、仿真、编译、综合、布局布线和下载等一系列设计步骤。用Quartus II设计数字电路可以使用多种硬件描述语言，比如VHDL、Verilog HDL等，还可以使用图形设计的方法。

导航计算机软件的工作流程为：首先，通过数据采集模块和AD转换模块，采集IMU输出的脉冲信号和温度信号，每完成一次采集便触发导航解算模块中VC33的外部中断，VC33通过响应中断来读取存储在EPM7512中的IMU数据；然后，开始进行误差补偿、姿态变换和导航解算；最后，将导航结果通过RS-422串口通信输出给上位机。至此一次循环结束，开始下一帧数据的采集。软件流程如图2所示。

导航计算机在系统加电后，VC33的引导程序先读取系统状态信息，再通过调试软件CCS进行应用程序的编辑、编译、加载和调试，调试通过后使用编程工具将应用程序固化到系统FLASH中[8]，从而提高了导航计算机的开发调试能力。

3 实验结果与分析

将导航计算机通过RS-422串口线与上位机相连，接好电源，利用上位机专用程序发送控制命令，并观察导航计算机的输出。试验表明，导航计算机的输出符合设计要求，证明系统设计正确、有效，系统工作正常。系统输出如图3所示。

图3 上位机接收导航计算机的输出

4 结束语

基于VC33和EPM7512的导航计算机利用双嵌入式CPU设计，体积小、功耗低。相对于传统的导航计算机，本系统利用EPM7512进行数据采集和数据通信，利用VC33进行导航解算，两者同步进行，缩短了导航周期，大大提高了导航系统的实时性，并且易于扩展，易于操作，人机交互方便。而且，通过该系统还可以让学生对导航计算机和嵌入式系统有更直观的认识，便于他们把课本上学到的知识应用于实践，培养其理论与实践结合的能力。

[1]胡致涌, 张国安. DSP 导航计算机硬件电路的设计及应用[J]. 赤峰学院学报, 2011, 27(10): 35-36.

[2]孙玲, 杨洪利, 栾晓明. TMS320VC33的特性及其硬件设计[J]. 应用科学, 2005, 32(6): 13-15.

[3]谢檬, 申忠如. 基于CPLD的等精度频率计的设计[J]. 微计算机信息, 2011, 27(4): 58-59.

[4]姜道为. 可编程逻辑器件EPM7128编程与检测电路的设计与实现[J]. 机械工程师, 2011, 15(9): 93-94.

[5] 张丽杰, 吕少中. Quartus II软件在数字逻辑教学中的应用[J]. 软件导刊, 2012, 11(4): 199-200.

[6] 牛立强, 徐振宇. Quartrs II软件在FPGA技术课程教学中的应用[J]. 科技信息, 2011, 36(2): 570.

[7] 李雪梅. 用Quartus 4.0设计数字电路过程的介绍[J]. 现代电子技术, 2005, 28(6): 35-38.

[8] 孙秋生, 陈尚峰. 基于CCS的DSP片外FLASH直接烧写设计[J]. 电子设计工程, 2009, 17(1): 93-95.

Design of Navigation Computer Based on VC33 and EPM7512

GAO Zhifeng, DONG Mingjie,SHI Yongsheng

(School of Automation, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

To meet the requirements of strap-down inertial navigation system，an embedded navigation computer based on VC33 and EPM7512 was designed. This paper introduces the software and hardware design and implementation methods of the navigation computer. The verification results show that the system has the characteristics of small size, low power, high precision and real-time performance. This system is also suitable for experiment teaching and can make students have more intuitive understanding about navigation computer and embedded system.

strap-down inertial navigation system; navigation computer; VC33 chip; EMP7512 chip

2012-08-03；修改日期: 2014-02-12

总装“十二五”预研基金资助项目。

高志峰(1979-)，男，硕士，实验师，研究方向：导航制导与控制。

TP39；U666.1

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.02.007