基于FPGA的慣導(dǎo)組合數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：利用FPGA并行處理的特點及其豐富的I／O接口，在此設(shè)計了一種針對捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的組合數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集慣導(dǎo)系統(tǒng)所需的IMU和GPS數(shù)據(jù)，能夠根據(jù)需要產(chǎn)生任意占空比的PWM控制信號，該系統(tǒng)預(yù)留了豐富的I／O接口，方便和DSP等處理器進行無縫連接。測試結(jié)果表明，通過這種方法設(shè)計的系統(tǒng)，體積小，可靠性高、實時性強。
關(guān)鍵詞：捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)；FPGA；IMU；GPS；PWM

0 引言
捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)是將慣性敏感器件陀螺儀和加速度計直接安裝在運載體上，是不需要穩(wěn)定平臺的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)通過計算機內(nèi)的姿態(tài)矩陣實時解析計算而得到一個數(shù)學(xué)平臺，該平臺起到在慣性空間始終保持所要求姿態(tài)的作用。由于捷聯(lián)慣導(dǎo)的數(shù)學(xué)平臺代替了穩(wěn)定平臺，這要求導(dǎo)航計算機必須具有很高的運算速度和精度。由于純慣導(dǎo)系統(tǒng)的速度、位置信息誤差隨時間積累，隨著導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，慣性測量單元(IMU)提供的數(shù)據(jù)難以完成精度較高的長期導(dǎo)航任務(wù)。這就需要在長期導(dǎo)航任務(wù)中引入GPS進行輔助導(dǎo)航，但是GPS數(shù)據(jù)自主性差，發(fā)射的信號容易受到外部干擾，接收機數(shù)據(jù)更新頻率低，單獨使用難以滿足導(dǎo)航實時要求。通過將IMU與GPS組合構(gòu)成的導(dǎo)航系統(tǒng)可以克服兩者單獨工作的缺點，互相取長補短，更好地完成導(dǎo)航任務(wù)。IMU，GPS數(shù)據(jù)的兩者融合正是通過IMU-GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)的。
根據(jù)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的特點，設(shè)計了一種基于FPGA實現(xiàn)IMU-GPS數(shù)據(jù)采集及PWM控制的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)IMU數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)的同時采集，可以根據(jù)需要產(chǎn)生任意占空比的PWM控制信號。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
慣導(dǎo)和GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)要求既要具有高速實時的計算能力，也要具有豐富的外設(shè)接口，保證采樣速度和精度。同時，根據(jù)整個系統(tǒng)小型化的考慮，慣導(dǎo)平臺通常采用小容量PWM驅(qū)動裝置，從而減小對加速度計、陀螺儀等慣性器件外部電磁環(huán)境的影響，保證其工作精度。FPGA具有豐富的I／O功能，還可以多個進程并行運行，能滿足組合導(dǎo)航的要求。本文設(shè)計的捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)就采用FPGA作為核心處理芯片實現(xiàn)IMU-GPS數(shù)據(jù)采集處理和PWM控制，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)的核心處理器FPGA選用Xilinx公司的XC3S400，它采用90 nm工藝，最大容量40萬門，工作頻率可達(dá)200 MHz。此外，系統(tǒng)還包括電源管理單元，程序和數(shù)據(jù)存儲器，接口電平轉(zhuǎn)換單元等部分組成。系統(tǒng)采用5 V供電，選用TI公司的TPS75003作為電源管理芯片，提供3．3V，2．5V和1．2V電壓。

2 FPGA設(shè)計實現(xiàn)
該系統(tǒng)充分利用FPGA可并行運行的特點，利用軟件編程在單片F(xiàn)PGA上并行實現(xiàn)IMU數(shù)據(jù)、GPS信息的接收處理、存儲器和PWM控制，同時根據(jù)FPGA具有豐富的I／O接口特點，通過編程為DSP等微處理器的無縫接入預(yù)留接口。系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。