基于DSP和FPGA的导航计算机系统设计

光纤陀螺的脉冲信号经信号调理电路进入计数器模块。计数器模块由5片定时器芯片8254实现14路16位计数器。5片芯片共用I／O地址空间，使能端长有效，输入时钟通过二选一电路来选择输入信号。6路脉冲信号工作，同时计数，确保光纤陀螺输入参数的准确性和实时性。脉冲信号计数和光纤陀螺之间在FPGA中以VHDL代码形式描述。
GPOXP=DRP AND (NOT GPOX) AND C(0)；
GPOXN=DRP AND (NOT GPOX) AND C(1)；
GPOYP=DRP AND (NOT GPOY) AND C(2)；
GPOYN=DRP AND (NOT GPOY) AND C(3)；
GPOZP=DRP AND (NOT GPOZ) AND C(4)；
GPOZN=DRP AND (NOT GPOZ) AND C(5)；
其中，GPOX，GPOY，GPOZ分别为8254芯片3个定时器／计数器输出信号；GPOXP，GPOXN，GPOYP，GPOYN，GPOZP，GPOZN分别经过5406反相输出后，依次对应CTRLGX+，CTRLGX-，CTRLGY+，CTRLGY-，CTRLGZ+，CTRLGZ-信号。
陀螺脉冲、加表脉冲和抖频脉冲是外部传感器的输入信号，是导航计算机的“眼睛”，计数要求最大计数频率为1MHz，计数精度为±1，导航计算机依靠解析这些信号进行定位，各导航系统的信息通信是否通畅、精确直接影响导航系统的性能，因此对这些信号的处理及可靠性要求非常高。如果这些电路出现故障，导航计算机则几乎无法使用；如果处理器采集的数据误差大，导航计算机的定位将不够准确，因此该部分电路是导航计算机的设计关键。针对这部分关键电路设计了专用测试电路。在系统加电初始化完成后，通过软件控制，硬件将输出标准的脉冲信号切换到传感器脉冲信号的输入端，然后进行数据采样，观察测试数据的准确性是否满足系统要求，实现了功能电路的自测试。
光纤陀螺的参数通过RS 422接口传递给处理器解算。RS 422电路由一片8252实现一路串行接口，通过MAX488芯片实现RS 422接口的转换，可实现最高1 Mb／s的数据传输速率。支持点对多的双向通信，数据信号采用全双工差分方式实现，信号的方式与接收在同一时刻进行而互不干扰，提高系统的响应速度。
ARINC429数据总线是为航空电子系统通信规定的航空工业标准，它为系统互联提供统一平台，担负着交联各个电子设备的重要责任。RS 429电路选用Harris公司的HSI3182和HSI3282，实现ARINC429数据接口的扩展，接收和发送中断均连接至系统中断控制器。传输的位速率为100 Kb／s，保障了各系统间的数字信息快速而可靠的传输。
导航计算机与上位机之间以RS 232串口形式进行数据交互，完成软件调试和串行通信(包括初始化参数的装载、导航功能的选择和导航功能的输出)。DSP芯片通过扩展异步串行接口，形成两路UART实现异步全双工串口通信，传输速率可达1．5 Mb／s。TTL电平和RS 232电平转换通过MAX232芯片实现。

3 导航计算机软件设计
导航计算机软件采用DSP集成开发环境CCS实现。CCS是TI公司推出的DSP开发环境，集成Sireulator和Emulator仿真器驱动程序。它包含每个TI器件的编译器、源代码编辑器、项目开发环境、调试器及许多其他功能，与C语言有良好的数据交互接口。CCS提供的单用户界面能使用户完成应用程序开发例程的每一步。CCS主要包括：CCS代码生成工具；CCS集成开发环境；DSP／BIOS插件程序和API；RTDX插件、主机接口和API。
组合导航的软件算法解算过程通常采用卡尔曼滤波器实现，通过反复迭代实现。软件实现的功能分为4部分：系统初始化、数据采集任务、捷联导航结算任务和命令参数发送任务。DSP上电复位后进行系统初始化工作，配置各寄存器和内部资源的状态为确定的初始状态。如果监测到中断控制器的中断信号，首先读取RS 422和RS 429接口电路的数据，进行航向辅助的惯导数据解算。A／D转化结束产生中断，DSP从数据缓冲区读取到转换结果，得到飞行参数信息，并且将此时所有传感器的数据进行汇总分析，实现一次卡尔曼滤波。将得到的数据对捷联惯导的运算进行误差修正，得到系统最优的导航信息，通过串行口输出给上位计算机显示并对飞行器进行适当的调整。
软件成功执行了捷联算法，各个功能函数执行正确，并且导航结果有较好的精度。在系统加电后，导航计算机的引导程序首先读取系统状态信息。调试模式下可通过宿主机的开发调试工具CCS进行应用程序的编辑、编译、加载和调试，调试通过后使用编程工具将应用程序固化到系统FLASH中，从而提高了导航计算机的开发调试能力。软件的执行流程图如图4所示。

4 结语
激光捷联惯性导航系统是一种自主式导航基准系统，它成本低廉，结构简单，可靠性高，广泛应用在飞机、导弹、火箭、舰船、卫星等设备中。试验结果表明，系统的方案设计达到要求，导航精度符合设计要求。在硬件设计时充分考虑了系统的扩展，预留有串行口等扩展接口，可方便接入GPS接收机等外部导航设备，方便形成组合型导航系统，对导航系统小型化的研究和推广具有积极的意义。