基于DSP的车载GPS／DR组合导航系统硬件设计

用于传输数据比较少，传输速率慢的场合，[]其软件编程比较复杂，而且控制串行通讯要占用很大的系统资源，影响传感器的实时处理功能，因此，本系统采用了TI公司生产的４通道异步收发器集成芯片TL16C554扩展DSP串口，实现传感器与导航计算机的通信。该芯片是一种具有串行异步通信。

　　接口的大规模集成电路芯片，可以实现数据的并/串、串/并的转换功能。其内部带有16字节的FIFO缓冲器。在FIFO模式下，传输和接收前将数据缓冲为16字节数据包，减少了CPU的中断数量。内部包含4片改良的16C550异步传输器件，使得串行I/O更加可靠[5]。

　　中心处理单元的整体硬件设计框图如图2。

　　系统充分发挥了DSP进行加、乘运算的优势，实现了导航参数的实时运算，并利用FPGA和16C554扩展外围通信接口，将串行数据转为并行数据后通过数据总线同DSP进行通信，把处理器从大量的I/O中断响应负担中解脱出来，提高CPU的运行效率。解算后的导航参数再通过数据总线到FPGA经过转化后以串行数据的格式输出。同时，考虑到IMU数据量较大，数据更新率大于100Hz，并不把收到的每一包数据直接发送到DSP，而是首先进行滤波处理后，再通过一个FIFO，暂时将数据存储起来，在数据量达到一定程度的时候，再通知DSP把这些数据取走，这样做可以进一步减轻DSP的负担，提高运行效率。

3 中心处理单元的硬件设计

　　中心处理单元的硬件部分主要由电源模块、数据通信模块、FPGA部分、DSP部分等组成。

3.1 系统电源模块

　　整个系统需要使用1.8V、2.5V、3.3V和5V四种电压。其中DSP需要1.8V和3.3V作为核心供电和I/O供电；FPGA需要2.5V和3.3V电压供电；GPS需要5V电压供电，因此整个系统采用5V电压供电。然后通过两片TI公司的TPS73HD3XX系列芯片进行电压转换，可以分别获得所需电压。TPS73HD3XX系列芯片为双路电压输出转换芯片，具有非常低的静态电流，即使对于变化负载，静态电流在实际中仍能够保持不变。

3.2 数据通信模块

　　TL16C554扩展的数据通信模块的硬件结构图如图3所示.

　　TL16C554的地址线A2～A0、数据线D7～D0分别和DSP的地址总线A2～A0、外部数据线D7～D0直接相连，而片选信号CSA~CSD、读写信号IOR/IOW以及中断信号INTA~INTD则接入FPGA并由FPGA处理。电路中使用FPGA一方面可以对UART的地址灵活配置，另一方面也可以灵活生成UART的选通和读写信号，从而增强系统的灵活性，方便系统调试。

3.3 FPGA部分

　　传统的系统设计大部分是以DSP为主机负责数据处理、以单片机为从机负责数据采集的多机并行系统，但从机单片微控制器的速度限制制约着整个采集处理系统的速度。针对这种情况，将传统的多机结构改为宿主式单机结构：系统仍然以DSP作数据处理主机，用多种计数器、逻辑电路、时钟电路组成的纯硬件子系统来代替过去的从机系统[4].但若采用传统的方法，即用标准的数字电路芯片扩展实现此子系统，必然需要多片电路芯片，这不仅使系统结构复杂，连线增多，还使可靠性随之降低。因此，系统采用了现场可编程门阵列器件FPGA来设计该子系统。用FPGA设计本系统最大的优点是节省了PCB板子面积，并且满足低成本的要求。并且在系统设计完成后，如果想升级、改进系统，不必更改任何硬件电路，只需要将FPGA内部逻辑重新编程即可。

　　FPGA掉电后配置信息不能够保存，再次上电时需要对其重新进行配置，因此需要使用片外存储器保存配置信息。本设计中选择ALTERA公司的epc2作为配置芯片。epc2是一种可以多次擦写的具有可编程FLASH的存储器，专门用于ALTERA公司的FPGA的配置。同时，系统板上的JTAG口，可以实现对epc2进行编程和对FPGA的在线配置。通过拨码开关实现对FPGA的在线配置和对epc2的编程的切换，具体硬件连接如图4所示。

3.4 DSP部分

　　DSP需要系统算法程序存储器，采用FLASH存储器进行存储，本系统选用四片256k×16bCY7C1041扩展了两个256k×32b的RAM，为复杂组合算法提供了存储空间；选用了两片16位SST39VF400FLASH芯片作为系统的程序存储器。采用FLASH存储器克服了传统EPROM体积大的缺点，同时有利于减小电路板的面积。通过DSP仿真器，按照FLASH的烧写算法可以将程序写入到FLASH中，完成DSP算法的存储。系统上电时通过自举方式，可以快速加载程序。这样做可以降低系统的成本、体积和功耗。

在DSP之前增加一个FIFO，等待数据满足要求后由DSP一起读取，由此解决IMU输出数据量大造成CPU响应频繁的问题。优化了系统的效率。IMU数据中各数据都由高字节和低字节两部分组成，通过串口接收数据后，可以合并为16位的形式。16C554芯片具有16字