基于PC/104的实时姿态数据采集系统的设计与实现

1 引言
　　
数据采集是信息处理的重要环节。在野外试验系统中，试验平台的姿态及运动状态信息测量对试验结果具有较大影响，因此，对试验平台的姿态信息进行实时采集具有现实意义。而且, 特别是对于导弹导引雷达等设备, 由于要求对现场信息实现实时测量和控制, 并且应用环境复杂,因而对数据采集系统的精度、便携性、可靠性与实时性具有较强要求。PC/104是嵌入式PC的机械电气标准[2]，它的制定为嵌入式应用提供了标准的系统平台，它继承了IBM－PC的开放式总线结构的优点，为工程师提供了标准的、高可靠的、功能强大的、使用方便的系统组件。本文详细论述了基于PC/104平台的姿态数据、GPS定位信息采集系统的设计方案。

2 系统硬件设计

2.1 系统组成及功能

采集系统在硬件上主要由地面固定站和便携式流动站组成。固定站包括：嵌入式控制计算机、多种姿态传感器、固态硬盘和数传系统；流动站包括：便携式手持机和数传电台等组成。系统组成如图1所示。

            


                                          图1 系统组成框图

地面固定站主要完成实时记录地面GPS接收机的定位及姿态信息；记录便携式流动站的GPS定位信息并进行实时显示[3][9]；对地面设备进行参数装订和系统设置，实时监控地面设备的工作状态，实时显示地面站和流动站的相对空间位置和姿态数据并送给试验设备；实时记录试验数据，试验结束后进行数据处理分析；打印试验数据、图形、曲线及分析结果。其组成为：（1）GPS接收机；（2）无线传输设备；（3）电源模块；（4）控制计算机（地面固定站控制计算机）；（5）试验设备；（6）平台姿态传感器等。

流动站主要完成实时记录并显示本站的GPS定位信息[1]、姿态信息，将所得到的数据通过无线数传电台传输给地面固定站进行处理。其组成为：（1）GPS接收机；（2）姿态传感器；（3）无线传输设备；（4）电源及天线系统；（5）控制计算机（流动站手持机）等。

本系统主要用于精确测量试验设备载体和流动站的定位及姿态信息，通过无线数传设备进行通信，同时提供速度信息，导航信息，用以输出给试验设备。固定站和流动站无线传输采用半双工模式，速率为9600bps。

2.2固定站控制计算机设计

固定站系统组件中控制计算机是核心，经过分析，其外部数据输入/输出接口有：GPS数据串行RS232输出1路，平台姿态传感器串行输出1路，无线传输设备串行输出1路，试验设备USB接口输出1路。

在设计过程中按照便携式、模块化的思想，嵌入式计算机模块采用DiamondSystems公司的ATHENA模块，该模块有CPU子模块和数据获取子模块两部分组成，可以支持DOS、Linux、Windows 98/NT/XP/2000、Windows CE.Net、VxWork等操作系统，CPU子模块包括128位图形加速卡，128M板载内存，支持UDMA33硬盘、最大可以安装512M电子盘，4个全功能RS-232，2个UART，2个异步口，4个USB 1.1接口。模块尺寸4.175英寸×4.475英寸。完全能够满足设计要求，且具有端口备份。

2.3 其他部件的配置

除控制计算机外，其他部件包括：固定站GPS接收机、平台姿态传感器、无线传输设备和流动站手持机。

1、GPS接收机：固定站接收机选用NovAtel公司高性能双天线GPS接收机 BeelineTM 。该卡工作在L1频率，采用双GPS天线，通过原始观测量来获取基线的方位和俯仰角度，同时能得到主天线的三维位置和速度信息。数据率最高可达5Hz。流动站接收机选用Garmin25 LP GPS模块。

2、平台姿态传感器：在地面固定站和流动站的姿态传感器选用Crossbow公司出品的CXILT02E数字倾角传感器。该产品可提供360度范围的滚动角和180度范围的俯仰角。电源输入9～30VDC，采用RS232输出。

3、无线传输设备：采用Pacific Crest公司的PDL数传电台。该电台在低功率工作时，最大仅2W，传输波特率为4800～38400bps。

4、手持机：选用济南浪潮超越公司的巧金刚Ⅱ型加固手持式计算机,该机RISC CPU主频可达400MHz, 超高分辨率显示, 内置GPS模块，实现全球定位, 可提供应用软件开发系统，方便用户进行二次开发,支持Windows CE操作系统。

3 系统软件设计

在进行软件设计时，固定站系统软件设计采用了Borland公司的C++ Builder 6.0进行二次开发而成[5]。在设计过程中，利用交互编程技术使窗口、事件和消息等Windows操作系统的工作方式与底层硬件驱动程序相融合，使软件完全按事件驱动的模式来执行，并在软件中加强了容错能力设计，在最大限度上避免了操作人员人为或非正常因素造成的错误。

由于设计时采用手持机作为流动站的主控计算机，操作系统为Windows CE，因此，流动站软件设计采用EVC（Embedded Visual C＋＋）作为开发工具。Windows CE是紧凑的、高效的和可升级的操作系统，被广泛应用在各种嵌入式产品中。EVC是Microsoft公司退出的开发WinCE应用程序的成熟、强大的工具，它和Visual C＋＋开发工具具有一定的相似之处。