基于DSP的多通道惯性导航试验系统设计

青 泽，牟 东，廉 璞，李东杰

(中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳 621999)

0 引言

惯性导航是用陀螺仪和加速度计提供的测量数据确定所在运载体的位置的过程[1]。惯性导航试验是验证惯性导航设备、算法和技术的重要手段，如地面跑车试验。目前开展惯性导航试验的通常做法是针对某一具体任务和特定类型的惯性导航设备，临时搭建相应的试验系统。这样的方法具有试验时间长、试验系统无法用于其他类型的惯性导航设备，即不具有通用性等缺点。

DSP是继单片机技术之后，当今嵌入式系统开发中最为热门的关键技术之一，具有运算速度快、实时性强、功耗低、抗干扰能力强等特点，广泛应用于航空航天、工业控制、自动化和信号处理等领域中[2-3]。

本文针对惯性导航试验通常做法中存在的试验时间长、试验系统不具有通用性等缺点，设计了基于DSP的多通道惯性导航试验系统，包含4路串口通信通道和2路A/D采集通道，理论上可满足6套惯性导航系统同时开展试验。工程应用结果表明，该系统至少可支持3套惯性导航系统同时进行试验，在保证试验要求的同时，有效缩短试验周期，降低试验成本。

1 系统总体方案设计

1.1 总体结构

多通道惯性导航试验系统主控芯片采用TMS320F2812，该芯片集成了2路串行通信接口SCI、1路串行外设接口SPI、3路外部中断接口以及多达56个独立的可编程多用途通用输入输出(GPIO)引脚[4]。基于TMS320F2812的系统总体结构图如图1所示，主要由4部分组成：串口通信部分包括4路串口通信通道，A/D采集部分包括2路A/D采集通道，存储器部分包括程序存储器FLASH、数据存储器SRAM和备用的铁电存储器，电源部分。

图1 系统总体结构图

1.2 工作原理

多通道惯性导航试验系统具有4路串口通信通道和2路A/D采集通道，可根据惯性导航设备接口类型的不同(如RS232/RS422)选择不同的通道进行惯性导航试验。需要多套惯性导航设备同时开展试验时，将各设备通过对应的通道分别连接至该系统，惯性导航设备的试验数据通过各自通道发送至DSP，DSP按照惯性导航算法对接收到的数据进行处理后将数据存储在存储器中，试验结束后从存储器中读取相关数据进行数据分析处理，即可实现利用该系统搭载多套惯性导航设备同时进行惯性导航试验。

2 硬件设计

多通道惯性导航试验系统硬件框图如图2所示，主要包括存储器模块设计、串口通信模块设计、A/D采集模块设计和电源模块设计。

图2 系统硬件框图

2.1 存储器模块设计

存储器模块主要用于存储软件程序和试验数据，包括程序存储器FLASH、数据存储器SRAM和备用的铁电存储器。

TMS320F2812的片内已经包含128 KB×16位的FLASH和18 KB×16位的RAM，但为了满足该系统的通用性，需要进一步扩展其存储空间。因此，在存储器模块设计中，通过TMS320F2812的外部接口XINTF外扩了512 KB×16位的FLASH和512 KB×16位的SRAM，同时通过TMS320F2812的SPI接口扩展了256 KB的铁电存储器作为备用存储器。

图3 存储器模块设计

2.2 串口通信模块设计

目前市场上的惯性导航设备多采用串口通信接口，如RS232/RS422。因此，多通道惯性导航试验系统设计了4路串口通信通道(包括2路RS232和2路RS485/422)。其中2路通道(通道3：RS232和通道4：RS485/422)直接通过TMS320F2812的SCIA和SCIB接口，利用其内部中断方式实现串口通信；另外2路通道(通道1:RS232和通道2:RS485/422)利用TMS320F2812的外部接口XINTF连接串口芯片XR16C854实现扩展串口通信，如图4所示。

XR16C854是一款增强型4通道串口拓展芯片，其自身带有128 Byte的FIFO和独立的接收/发送FIFO计数器，能降低整体串口中断服务时间，最大的传输速率可以达到2 MB/s[8]。如图4所示，其一路通道通过MAX3323E实现RS232通信，另一路通道则通过ADM2582E实现RS485/422通信，其读/写(IOR/IOW)、通道片选(CSA/CSB)、中断(INTA/INTB)以及数据(D0-D7)、地址(A0-A2)信号等分别连接至DSP的对应引脚。

2.3 A/D采集模块设计

一些惯性导航设备输出的是模拟信号，如ADXRS64x系列陀螺仪产品。因此，多通道惯性导航试验系统还设计了2路A/D采集通道。该模块通过TMS320F2812的外部接口XINTF连接A/D转换器AD7606实现。AD7606是一款16位的多路A/D转换器，其内置模拟输入箝位保护、片内精密基准电压和输入运放缓冲器，在不降低分辨率的情况下，可显著减少外围器件，有效节约系统空间[9-11]。

图4 串口通信模块设计

图5 A/D采集模块设计

2.4 电源模块设计

多通道惯性导航试验系统的电源输入可由地面设备(如直流稳压电源)或电池提供。输入电压为5 V，系统内各模块需求电压主要有5 V和3.3 V，因此，采用DC/DC转换器RS-053.3S实现5 V电压到3.3 V电压的转换，电源设计如图6所示。

图6 电源模块设计

3 软件设计

多通道惯性导航试验系统的软件设计采用模块化的设计思路，软件流程图如图7所示。系统上电后首先执行DSP初始化操作，并进行串口配置和A/D初始化等操作，当各通道通信正常后，开始惯性导航试验；试验过程中，来自各惯性导航设备的试验数据经由各通道发送至DSP，DSP根据事先设计的程序算法进行数据处理，并将处理后的数据发送至上位机，在上位机可对试验数据进行初步判定，当判定数据正常时，DSP将数据存储在存储器中，直至试验结束。

图7 软件流程图

4 工程应用

在某试验任务中，需要利用惯性导航系统测量载体相对于上电启动点的距离，要求距离测量误差小于500 m。为此，设计了3套不同类型的惯性导航系统(分别记为惯性导航系统A、B、C)和相对导航算法。为验证导航算法的有效性，同时对比3套惯性导航系统的性能差异，利用本文设计的多通道惯性导航试验系统同时搭载3套惯性导航系统进行跑车试验。

图8为手机导航记录的跑车试验实际运动轨迹，图9为试验系统得到的3套惯性导航系统记录的运动轨迹与GPS真实运动轨迹的对比，从图9可以看出，利用试验系统搭载的各套惯性导航系统记录的运动轨迹与实际轨迹基本吻合。图10和图11分别为3套惯性导航系统的东向轨迹误差和北向轨迹误差。从图中可以看出，3套惯性导航系统的距离测量误差均满足设计要求，但各套惯性导航系统的性能存在一定的差异。

图8 手机导航记录的运动轨迹

图9 试验系统记录的各系统运动轨迹

本次试验说明，利用多通道惯性导航试验系统不仅可进行导航算法的验证，还可同时进行多套惯性导航系统的对比试验，具有一定的通用性，有效缩短了试验周期，降低了试验成本。

图10 各惯性导航系统测得的东向轨迹误差

图11 各惯性导航系统测得的北向轨迹误差

5 结束语

采用TMS320F2812处理器作为主控芯片，设计了具有4路串口通信通道和2路A/D采集通道的多通道惯性导航试验系统。工程应用结果表明：该系统至少可支持3套惯性导航系统同时进行试验，具有一定的通用性，可有效缩短试验周期，降低试验成本。