基于多核芯姿态测量系统设计

梁挺+贺峻峰+丁昨凯+张蕙菁+武强

摘 要 本文提出基于ARM+DSP与FPGA相结合的多核心组合硬件系统平台方案。该方案以ARM为通信和控制处理器与DSP为组合导航解算处理器的双核作为主核芯，FPGA作为辅助核心，用于采集MEMS陀螺数据和GPS模块数据。由于共用数据、地址总线，通过内部内存控制器，提高数据和地址总线的利用效率，至使ARM和DSP之间数据操作完全摆脱占用其时钟周期的限制，大大提高了数据操作效率；ARM内部集成丰富的硬件控制器，可以省去大量软件优化时间，并且TI公司为客户提供底层驱动优化方案，使整体系统对外数据交换更加灵活。

【关键词】姿态测量 组合导航 DSP ARM FPGA MEMS陀螺 GPS

1 姿态测量系统硬件设计方案

1.1 系统的硬件电路结构

本系统以双核芯片OMAP-L138+FPGA為核心处理器，实现惯性器件及相关信息的采集、捷联惯性导航算法的实现。双核处理器OMAP-L138中的DSP部分主要处理各种数据的预处理、传感器信号的误差补偿、姿态解算、导航解算等， ARM部分主要实现惯性器件（三个陀螺及三个加速度计）、温度传感器的数据采集；FPGA实现GPS/北斗信号、磁航向传感器、里程计以及各种外围通讯串口数据的采集，并通过双口RAM与DSP进行数据交互。

本系统分为双层结构，上层包括双核处理器、FPGA、及其配置Flash、DDR2 SDRAM、时钟芯片、RTC芯片、两个分别对嵌入式系统供电的电源芯片集中在上层电路板；下层电路板包括ADIS16488 MEMS陀螺仪、LEA-5H的GPS模块、防浪涌模块、28V转5V电源模块、四路RS422电平转换芯片、一个50V15000uF的储能电容以及连接上层的垂直连接器和一个31芯的矩形连接器。

1.2 OMPL-138及FPGA的电路设计概述

OMAPL138作为包含ARM+DSP双核嵌入式处理器，由于其初始启动过程需要依赖ARM端的低频时钟进行初始化，因此，OMAPL138外围分别需要输入两个时钟，一个是32.768Khz的慢时钟，另一个为24Mhz的快时钟。本设计中FPGA芯片为双核处理器提供了快时钟输入，并为其输出初始化的复位信号，。

根据OMAPL138数据手册要求，对于其PLL区域的供电需要非常低的电压噪声，因此，锁相环区域电源输入添加穿心电容，和三个不同容值的旁路电容，用于电源输入滤波。由于数据运算速率的需要，OMAPL138外部内存采用了DDR2 SDRAM。

在整个姿态测量系统中，复位信号质量的好坏会影响整个系统的性能指标，因此，针对复位信号，采用主备信号的方式进行设计。电源芯片管脚能够产生一路先高后低再拉高的漏极开路（Open drain）信号，此信号满足OMAPL138上电复位信号的时间要求，将电源产生的复位信号与外部按键所产生的复位信号共同引入与门芯片内部，这样可以在加电的状态下，为FPGA和双核提供热复位的功能；将复位信号从与门引入FPGA，再由FPGA自身产生一个和与门相同逻辑时序的IO电平信号输出给OMAPL138的复位管脚，当系统上电时，电源芯片输出的复位信号通过与门传送到FPGA内部，FPGA响应此信号后将自身产生的复位信号再输送给OMAPL138，使其进入初始化状态；当按键按下时，与门将低信号输入给FPGA内部，FPGA此时会发送复位信号到OMAPL138的复位输入管脚，使OMAPL138在上电状态进行复位初始化。

1.3 电源电路及GPS模块电路设计

电源电路分为两部分，一部分为OMAPL138和FPGA的电源芯片及其外围电路，另一部分为系统输出28V滤波、转换以及储能的电路。

根据OMAPL138数据手册的要求，其内核和外部IO区域上电顺序有明确的限制，先给内核供电，再给外部IO供电，这样会确保OMAPL138芯片初始化正常，并且能预防先供给外部IO电压导致烧内核的情况发生，利用复位芯片，当1.2V供电时才能打开1.8V的IO供电的使能，当1.8V供电时，才能打开3.3V供电使能，这样完成由内核上电再到外部IO上电的先后顺序。下层电路板电源部分主要分为两部分，一部分是外部电源输入后的滤波处理，另一部分是电压转换后进行储能，防止短时电源塌陷。由于系统要求瞬间断电50ms内，要确保后端系统在电源切换时正常工作，根据计算，需接入一个耐压值50V容值约为14000uF的储能电容，为系统储能。

利用电源转换芯片，将输入28V转换为系统需要的5V电压，输出电流能力额定值为2.4A，由于整板最大功耗约为10W，额定功率下约为5～6W，电源模块满足工作需求。为5V加入一阶滤波电路，为后端电路提供更低噪声的电源供电。GPS模块为5V供电，外接天线为3.3V供电，由数据手册可知，天线为有源天线，可由模块内部供电也可由外部电源供电。

1.4 外围及接口电路

根据GPS模块的需要，本系统内部加入了RTC芯片，用作板级内部时钟计数和部分数据存储，这样配置可以提高GPS定位速度，降低定位的飘逸和瞬间丢星时的数据异常，大大提高定位精度。

由于系统要求，对外接口提供了四路RS422接口，用于与外界计算机交互，两路RS232接口，便于板级信息输出和调试，以及OMAPL138和FPGA自身的JTAG接口，用于程序调。

2 总结

由于微电子技术和嵌入式技术的飞速发展，采用嵌入式平台的姿态测量系统也得到了迅猛发展，功能更加丰富、性能显著提高、质量和体积不断缩小。本文研究的基于微小型MEMS和嵌入式平台的姿态测量系统，也是一种捷联式惯性导航系统。相对于惯性导航系统，这种基于微小型MEMS和嵌入式平台的姿态测量系统具有更小的体积、更低的功耗成本，降低了系统成本，这会使得姿态测量系统，更易于生产，以及适用方面更加广阔，不仅对军事方面，对民用方面能起到独特的作用。

参考文献

[1]任思聪.实用惯导系统原理[M].北京：宇航出版社，1988.

[2]张海陵，陈茄，谭海云.基于FPGA的模拟信号源系统设计[J].电子科技大学学报，2006.

作者简介

梁挺（1982-），男，江苏省宿迁市人。工程硕士。主要研究方向为计算机技术。

作者单位

西安应用光学研究所 陕西省西安市 710065