基于FPGA和高精度ADC的組合導航系統設計

INS／GPS組合導航系統在軍事領域和民用方面的運動載體中得到了廣泛應用。INS是組合導航系統中的核心部分，涉及多個陀螺儀、多個加速度計和溫度傳感器等眾多傳感器數據的采集與處理，同時對系統運算的實時性要求也很高。對于導航計算機系統的研究，許多學者做了大量有益的工作。傳感器數據采集現有方案大多采用一片多路△-∑結構的AD芯片采集6路慣性器件信號，這就造成6路信號的數據采集不能同時進行，在高動態下導致組合導航系統導航精度的下降。本文以TI公司生產的AD變換器AD1274和Altera公司生產的FPGA EPlS30位主選芯片，闡述了組合導航系統的實現方法。

2 數據采集

組合導航系統的傳感器包括3個低成本微機械陀螺儀(AD'ADXRS150)、3個微機械加速度計(AD'ADXL210)、壓力傳感器(Motorola'MPX4115A)、二軸磁羅盤(Honeywel'HMC1022)、一個溫度傳感器(TI'TMP275)和GPS。對于這些傳感器需同時采樣，方能滿足組合導航系統的要求。本系統選用TI公司生產的高精度模數轉換器ADS1274。ADS1274是一款高性能的24位△-∑結構的AD轉換器，有4路同步采樣輸入通道，輸出有串行和并行兩種方式，如1所示。

本系統中共采用3片AD1274，一片用于3個陀螺儀信號的數據采集；另一片用于3個加速度計的數據采集；第三片用于2個磁方位傳感器、1個壓力傳感器的數據采集，溫度傳感器的輸出信號為數字信號，不需要進行模數變換。每一片均剩余一路AD，用于今后深入研究的冗余系統。

為了克服由于傳感器輸出信號數據采集時間上的不同步引起的導航計算偏差，除采用具有4通道同步采用的AD1274外，數據采集系統的控制采用具有并行機制的FPGA，芯片選用Altera公司的Cyclone低成本FPGA EP1C6Q240。

3 組合導航系統的設計

組合導航系統的功能包括：

數據采集 采集各種傳感器信號(陀螺儀、加速度計、磁羅盤、溫度計、氣壓高程等)；

預處理 采用數字濾波技術對采集到的傳感器信號進行預處理；

導航計算 利用導航算法進行數據融合處理；

輸出導航信息 將系統的位置、速度、姿態的功能信息輸出到運動載體控制系統，進行導航指示和運動控制。

導航計算和導航信息輸出采用TI的OMAP5912實現。組合導航系統原理如圖2所示。

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