基于DSP和FPGA的导航计算机系统设计

摘要：为提高导航的精度和实时性，设计了基于DSP和FPGA的导航计算机模块，成功实现了低成本、小型化的捷联惯性导航系统。通过描述硬件的设计原理和软件的框架及流程，简要介绍了系统的设计和实现方法。经验证，该系统达到了导航定位的性能和精度要求，姿态、位置和速度等参数可以有效融合多传感器的导航信息，能满足导航计算机在处理能力、体积、功耗和适应性等方面的要求。
关键词：导航计算机；DSP；FPGA；导航定位

0 引言
惯性导航系统是随惯性传感器(陀螺仪和加速度计)技术的发展而发展起来的一门导航技术，由于具有完全自主，不受任何干扰，隐蔽性强，输出信息量大，输出信息实时性强等优点，在军事领域和民用领域都得到了广泛的应用，已被许多机载设备选为标准导航设备。特别是现代战争所面临的电磁环境日益复杂，对惯性导航技术的依赖和要求也越来越高，惯性导航技术已经成为现代高科技战争中一项重要支撑技术而受到各国的关注。为了保证飞机按照预定的航线进行飞行，对各种数据进行实时精确处理显得非常关键，因此研制具有可靠性高，运算精度高，性能先进等特点的新一代导航计算机已成为必然。

1 导航计算机系统组成
导航计算机是惯性导航系统的核心功能单元之一，配套应用于惯性导航系统的总体中。导航计算机采用嵌入式计算机设计技术、智能接口技术及高精度组合导航技术，配置高性能DSP处理器和大容量存储器，利用大规模现场可编程门阵列(FPGA)设计，使用集成软件开发环境开发程序实现高速板内总线对接口的高速访问。由处理器通过接收陀螺、加速度计、GPS等其他传感器的输入数据进行导航解算、误差补偿等运算处理，获得航向、俯仰、滚动角、三轴角速率、速度、经纬度、高度等导航所需的参数信息。
作为导航系统核心部件的导航计算机负责从数据采集电路获取导航原始数据，进行捷联导航算法处理，最后将解算得到的导航结果进行输出控制。系统工作原理如图1所示。

2 导航计算机硬件组成
导航计算机采用GPS卫星导航与惯性导航相结合，采用松耦合方式进行互联，在保证系统间信息交换能力的前提下考虑系统的组合性和灵活性。为提高系统的实时性、集成度和扩展性，硬件设计上采用DSP+FPGA的解决方案。
DSP芯片主要完成复杂的数学运算，包含误差补偿、初始对准和导航运算等；FPGA芯片完成所有外围接口，包括陀螺、加速度计的高速采样和I／O接口等各传感器信号的采集，通过信号处理电路送至处理器芯片进行运算处理，将解算到的惯性测量信息通过数据接口控制输出。导航计算机硬件组成如图2所示。

为保障系统具有大规模数据处理能力，同时具有实时性的特点，导航计算机的核心器件选用了TI公司推出的高速浮点处理器DSP芯片TMS 320C6713。作为导航计算机的核心控制部件，该芯片工作的主频为200 MHz，单指令执行周期为5 ns；定点浮点运算能力强大，运算速度能达到1 600 MIPS／1 200 MFLOPS。作为数据运算系统，TMS320C6713不仅保证了导航运算的速度和精度，同时丰富的系统应用外设及多种标准接口，方便导航计算机与外部传感器进行数据交互。快速的中断处理性能可保障导航计算机多个接口的传输速率。
为满足多个数据接口的数据传输需要，采用XILINX公司的现场可编程门阵列FPGA芯片XQ4013E4PG223M，设计完成了系统的复位功能、逻辑译码功能、外部接口管理和移位脉冲计数功能。FPGA芯片的使用，方便了功能电路的集成，在不增加硬件电路的情况下，通过模块化的VHDL设计，适应了导航功能电路的变化。通过采用基于VHDL的计数脉冲滤波、采样及自测试技术，提高了输入信号的采集精度，对提高整个激光捷联惯导系统的定位精度提供了支撑，实现了高精度、通用化和小型化。
惯性器件的输出信号采样频率决定了捷联解算的精度和速度。根据实时性要求，系统每1 ms采集一次陀螺脉冲和加速度计的数据，DSP芯片每10ms进行1次导航数据解算。因此选用高效的AD1674和OP200电路对加速度计采集到的信号进行模数转换，将采集到的0～5V电压信号转换为数字信号，存储于内部数据缓冲区内供DSP芯片进行数据处理。AD1674是12位A／D转换器，具有10 V参考输入，时钟输入和三态输出的微处理器接口，具有采样／保持功能，可对快速传输的交／直流信号进行直接转换，转换时间不大于15μs。AD1674芯片可以在两种模式下工作，全控制模式和独立模式，设计中选用独立工作模式，数据转换由R／C信号控制。
光纤陀螺输出信号是脉冲信号，x，y和z轴分别输出正反2路信号，信号为GPOXP，GPOXN，GPOYP，GPOYN，GPOZP，GPOZN。定时周期内正反信号脉冲个数的差和标度因数的积即为该轴向陀螺的角速度。光纤陀螺的计数功能模块如图3所示。