鄭文成 顏 俐 任勤勇 汪 輝 周學(xué)文

中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢 430064

基于DSP的動調(diào)陀螺尋北導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

鄭文成 顏 俐 任勤勇 汪 輝 周學(xué)文

中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢 430064

研究的尋北導(dǎo)航系統(tǒng)主要以動力調(diào)諧陀螺為敏感設(shè)備，創(chuàng)新地采用TMS320VC5402芯片作為主處理器構(gòu)建尋北儀的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，取代通常構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)所用的PC機(jī)或單片機(jī)，并以CPLD為主要控制輔助組件設(shè)計(jì)并調(diào)試數(shù)據(jù)的采集、處理、輸出、信息通信等硬件電路和相關(guān)軟件，充分利用DSP快速運(yùn)算、信息存儲、邏輯判斷和數(shù)據(jù)處理等能力完成多種控制任務(wù)，在實(shí)現(xiàn)尋北功能的同時(shí)又使系統(tǒng)的精度、控制和解算能力得到提升。

尋北導(dǎo)航系統(tǒng)；硬件；設(shè)計(jì)

1 引言

尋北技術(shù)是慣性技術(shù)領(lǐng)域的重要組成部分，是現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中確保武器系統(tǒng)快速、精確打擊目標(biāo)的重要保障技術(shù)之一。本文所研究的尋北裝置主要以動力調(diào)諧陀螺為敏感設(shè)備，利用陀螺敏感地球自轉(zhuǎn)角速度分量，并由此計(jì)算出載體縱軸向與真北的夾角。本文設(shè)計(jì)的硬件電路根據(jù)兩個加速度計(jì)和陀螺的輸出經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換，計(jì)算出載體的姿態(tài)角，從而實(shí)施尋北。

隨著慣性技術(shù)的發(fā)展，以陀螺儀為主要元件的尋北儀的精度、反應(yīng)速度都在不斷提高，PC機(jī)和單片機(jī)的運(yùn)算速度、字長和量化誤差等方面的缺陷影響了其在高精度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用效果，從而就對構(gòu)成陀螺尋北系統(tǒng)的處理功能單元提出了更高的要求。16位字長的高速DSP芯片的出現(xiàn)極大地緩解了這個問題。在系統(tǒng)中采用基于DSP的數(shù)字控制系統(tǒng)取代PC機(jī)和單片機(jī)處理系統(tǒng)，可以充分利用DSP快速的運(yùn)算、信息存儲、邏輯判斷和數(shù)據(jù)處理等能力完成多種控制任務(wù)，從而使控制能力達(dá)到一個新的水平。DSP在動調(diào)陀螺尋北系統(tǒng)中的應(yīng)用研究對進(jìn)一步提高尋北系統(tǒng)的性能是很有意義的。

2 動調(diào)陀螺尋北系統(tǒng)原理及組成

地球以恒定的自轉(zhuǎn)角速度ωe繞地軸旋轉(zhuǎn)。對于地球上緯度為φ的某點(diǎn)，在該點(diǎn)地球自轉(zhuǎn)的角速率可分解為兩個分量，水平分量ωe1＝ωecosφ沿地球經(jīng)線指向真北，垂直分量ωe2＝ωesinφ沿地球垂線垂直向上，如圖1所示。可見，利用慣性技術(shù)測量或敏感地球自轉(zhuǎn)角速度的水平分量，即可以獲得地球上被測點(diǎn)的北向信息，這就是陀螺尋北儀的基本原理［1］。

本系統(tǒng)用的是陀螺尋北方法中的捷聯(lián)式尋北方法，這種尋北方式通常選用動力調(diào)諧陀螺作為核心慣性器件，整個系統(tǒng)主要由臺體、陀螺、加速度計(jì)、力矩電機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器、測控回路及計(jì)算機(jī)等組成，系統(tǒng)的核心部分為是兩個加速度計(jì)和一個動力調(diào)諧陀螺儀。陀螺尋北儀是利用陀螺敏感地球自轉(zhuǎn)角速度分量，并由此計(jì)算出載體縱軸向與真北的夾角，陀螺敏感軸一個指東為水平軸，提供北向水平基準(zhǔn)；一個指天為方位軸，提供方位基準(zhǔn)。加速度計(jì)用來測量橫向及縱向的傾斜角度，作為尋北時(shí)的傾斜誤差補(bǔ)償。動力調(diào)諧陀螺尋北由于采樣方式和解算方式的不同，所采用的尋北算法也有所不同，主要可以分為單位置尋北法、二位置尋北法、四位置尋北法［2］。

3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)是本文研究的重點(diǎn)，由于尋北系統(tǒng)需要同時(shí)滿足解算大量的數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)控制功能的兩個方面的要求，包括采集慣性傳感器的輸出信號、模擬開關(guān)的切換、功能按鍵的實(shí)現(xiàn)、輸出導(dǎo)航參數(shù)、與主控設(shè)備交換信息等；另外是數(shù)據(jù)處理與解算，包括慣性傳感器誤差補(bǔ)償、姿態(tài)計(jì)算、在線校正、濾波等。也就是說，尋北系統(tǒng)是一個集運(yùn)算和控制于一體的系統(tǒng)，它不僅需要有較高的計(jì)算速度和精度，還必須擁有較高的控制能力。

尋北系統(tǒng)通常都采用以PC機(jī)或單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理器來完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理任務(wù)和與外界的交互控制任務(wù)。而本系統(tǒng)采用定點(diǎn)DSP TMS320VC5402作為數(shù)據(jù)處理器系統(tǒng)的方案來實(shí)現(xiàn)動調(diào)陀螺尋北的任務(wù)［3］。為了完成上述的功能，本DSP系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)上應(yīng)具備：CPLD邏輯電路、電源模塊、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、A／D轉(zhuǎn)換模塊、串口通信模塊、轉(zhuǎn)臺控制電路、片外RAM、片外ROM、PLL和JTAG接口等。

在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中，DSP芯片用來執(zhí)行系統(tǒng)中有關(guān)數(shù)字信號處理的高速運(yùn)算以及一些控制功能，將分別從加速度計(jì)、2個二自由度陀螺中讀出數(shù)據(jù)，存儲在相應(yīng)的存儲空間，調(diào)用尋北解算程序解算所讀入的數(shù)據(jù)，最后通過串行口發(fā)送給PC機(jī)顯示經(jīng)過計(jì)算的結(jié)果［4］。CPLD對其完成的功能進(jìn)行分類，細(xì)化分解成多個小的功能模塊，以圖形編輯的方式搭建組合，完成對電路的譯碼和對各個芯片的控制功能。它在系統(tǒng)中完成了對片外ROM、RAM及串行口的控制和譯碼，完成了對A／D的控制邏輯，并且在A／D和DSP之間起到了總線驅(qū)動的作用。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.2 A／D 轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采樣

A／D轉(zhuǎn)換器是模擬量輸入通道的核心部件，它是把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的裝置。采樣和量化是通過A／D轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)采用AD976采樣陀螺、加速度計(jì)及各種檢測信號等［5］。

本數(shù)據(jù)采集電路是采用 AD976、CPLD和TMS320VC5402采樣陀螺、加速度計(jì)及各種檢測信號等。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方框圖如圖3所示。

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路主要組成部分為AD轉(zhuǎn)換芯片AD976，它的前端為運(yùn)放LF411。多路模擬開關(guān)的輸出，經(jīng)過運(yùn)放輸出到ADC芯片上。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過CPLD并行輸出到DSP，而AD976所需要的控制信號也是由CPLD發(fā)出的。

3.3 數(shù)據(jù)采集前端設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)平臺的角度是由旋轉(zhuǎn)變壓器提供的，旋轉(zhuǎn)變壓器是由粗精兩組線圈組成。設(shè)定粗精比n＝1／16，要確定真正的機(jī)械角，還要進(jìn)行粗精組合。正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器包括轉(zhuǎn)子和定子部分。定子一個繞組產(chǎn)生一個具有參考頻率的電壓，其幅值正比于軸角的正弦，另一個繞組產(chǎn)生一個幅值正比于軸角余弦的電壓。

式中，θ為轉(zhuǎn)子相對于定子的轉(zhuǎn)角。由公式可看出輸出電壓分別與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦和余弦的關(guān)系，其輸出電壓波形如圖4所示。系統(tǒng)所采用的激磁信號頻率為400 Hz，為了得到角度信號，采用峰值采樣電路，電路圖見圖5。激磁信號經(jīng)電路移相90°后，經(jīng)過比較器產(chǎn)生方波信號。電路輸出波形如圖6所示，其中Va為移相激磁電壓波形，Vb為移相后的波形，Vc為經(jīng)過比較器后的輸出波形。方波信號和計(jì)算機(jī)發(fā)出的100 Hz的信號經(jīng)過CPLD譯碼電路得到100 Hz左右的采樣保持信號，用來控制采樣保持器工作。

圖5 400 Hz 移相比較電路

圖6 電路輸出波形

除旋轉(zhuǎn)變壓器信號外，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還需采樣加速度計(jì)信號、陀螺力反饋信號、溫度信號和用來檢測轉(zhuǎn)臺回路是否正常的陀螺信號等。這些信號是接近直流緩變信號，所以未采用采樣保持器，而僅采用穩(wěn)壓二極管限幅電路。

3.4 串行通信電路的設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，串行通信要完成的主要功能就是程序運(yùn)行前實(shí)現(xiàn)控制命令從主機(jī)到DSP系統(tǒng)的傳送，在得到控制輸出后實(shí)現(xiàn)運(yùn)算結(jié)果從DSP系統(tǒng)到主控機(jī)的傳送。由于串行通信是按位傳輸?shù)模鳧SP的數(shù)據(jù)是并行傳輸?shù)?，因此就必須進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換。在設(shè)計(jì)中用了異步串行芯片16C2550來實(shí)現(xiàn)串行口擴(kuò)展，將DSP的并行數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)傳輸。對串行通信的控制也就主要是通過DSP芯片對串口芯片的控制來實(shí)現(xiàn)的。

系統(tǒng)的串行通信電路主要由有兩個芯片完成，即上面所介紹的異步串行芯片16C2550和電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX232。DSP通過DART芯片的8位寬的數(shù)據(jù)線作為串行傳輸?shù)慕涌谶M(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸（圖7）。對串行傳輸方式的控制和參數(shù)的設(shè)定是通過DSP的初始化程序?qū)ART芯片的寄存器的配置來實(shí)現(xiàn)的。其中的三位數(shù)據(jù)線A0，A1，A2是DSP通過CPLD譯碼，對芯片內(nèi)的寄存器進(jìn)行尋址。在系統(tǒng)上電后，需要對16C2550的各個內(nèi)部寄存器進(jìn)行初始化，使其以預(yù)定的方式正常工作，如各種中斷的使能與屏蔽、數(shù)據(jù)傳輸波特率的設(shè)定、內(nèi)部FIFO的深度、是否加入校位及其類型等。在本系統(tǒng)中波特率為9600，偶校驗(yàn)。

16C2550不僅簡化DSP串行通信的接口，實(shí)現(xiàn)了靈活高速的串口通信，同時(shí)由于它是3.3 V的供電電壓，與DSP的I／O電壓兼容，從而避免了總線驅(qū)動的設(shè)計(jì)，簡化了電路。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 DSP混合編程中的資源配置

C編譯器對C語言程序編譯后生成若干個可以進(jìn)行重新定位的代碼和數(shù)據(jù)塊，這些塊可以以不同的方式分配到存儲器以符合不同系統(tǒng)配置的需要。這些塊分為兩種類型，一種是已初始化塊，另一種是未初始化塊。

圖7 16C2550 芯片接口

已初始化塊主要包括數(shù)據(jù)表和可執(zhí)行代碼。C 編譯器共創(chuàng)建.text，.cinit，.const和.switch 4 個已初始化塊。未初始化塊包括.bss，.stack 和.sysmem［6］。一般情況下，.text、.cinit和.const， 連同匯編語言中的.data塊可鏈入到系統(tǒng)的ROM或RAM中，而.bss，.stack 和.sysmem 塊則應(yīng)鏈入 RAM 中。

4.2 BootLoader 程序設(shè)計(jì)

BootLoader是開發(fā)DSP應(yīng)用系統(tǒng)必須做的最后一步工作。本系統(tǒng)為了增加軟件下載的靈活性，將EEPROM等存儲器放置到片外，增加了一片F(xiàn)LASH來代替；DSP的內(nèi)部固化了一個Boot的程序，在 DSP 上電硬復(fù)位后（MP／MC＝0），DSP 自動執(zhí)行這個BOOT程序，將外部FLASH的程序讀入DSP內(nèi)部告訴RAM程序區(qū)中。DSP上電后自動將固化在FLASH中的程序讀入到DSP的片上RAM或片外RAM映射成的存儲區(qū)間的一個過程［7］。

在本系統(tǒng)中，當(dāng)DSP從上電復(fù)位到進(jìn)入工作狀態(tài)前一瞬間的這個階段稱為Boot階段。對于TMS320VC5402芯片來說，內(nèi)部ROM空間是有限的，故ROM中固化了一些程序和查找表，當(dāng)TMS320VC5402上電復(fù)位后，程序指針自動指向ROM中的一個稱為BootLoader的小程序，這個程序會根據(jù)環(huán)境選用相應(yīng)的BootLoader方法，將外部FLASH中的程序搬移到TMS320VC5402內(nèi)部的RAM程序中，并將程序指針移到執(zhí)行程序的第一行處.對于ROM來說，我們一般是無法改變的，ROM的地址是從F000h～FFFFh，具體內(nèi)容如表1所示。

表1TMS320VC5402片上ROM內(nèi)容

在上電復(fù)位時(shí)，如果引腳MP／MC為低電平，則程序從片內(nèi)ROM的FF80h處開始執(zhí)行程序。在這里會有一條跳轉(zhuǎn)指令，轉(zhuǎn)向ROM中的加載程序。這個程序在加載前先初始化CPU的狀態(tài)寄存器和存儲器映像片內(nèi)的外設(shè)控制寄存器。這時(shí)，全局禁止中斷使能 （INTM＝1）， 內(nèi)部 DARAM和SRAM均映射到程序或數(shù)據(jù)存儲空間（OVLY＝1）。對全部的程序空間和數(shù)據(jù)空間都設(shè)為7個等待狀態(tài)，以便最大可能地在從外部轉(zhuǎn)移程序時(shí)對慢速器件兼容。

5 結(jié)束語

本文針對現(xiàn)代尋北導(dǎo)航系統(tǒng)的需求，在硬件及相應(yīng)軟件方面努力提高系統(tǒng)的各種性能指標(biāo)。通過采用DSP信號處理芯片搭建處理系統(tǒng)大大提高了尋北系統(tǒng)的控制能力和解算功能，加快了信號處理的速度，同時(shí)又降低了系統(tǒng)的功耗，減小了系統(tǒng)的體積等，滿足當(dāng)代作戰(zhàn)系統(tǒng)的指標(biāo)需求。相信隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展和慣性儀表精度的提高，DSP在導(dǎo)航領(lǐng)域?qū)玫皆絹碓綇V泛的應(yīng)用。

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［2］戴明楨，周建江.TMS320C54x DSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

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Design and Implementation of Navigation System of DTG North Seeker Based on DSP

Zheng Wen－cheng Yan LiRen Qin－yong Wang HuiZhou Xue－wen
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The north－seeking navigation devices were mainly equipped with DTG as sensitive equipment and innovated in the use of DSP 5402 as the main processor to construct the computer platform of the north seeker instead of PC processor or single chip which were used to construct the system.And the CPLD displayed as the main assistant element in charge of control，and debugged the hardware and software consisting of data collection， processing， output and the communication.Achieving multi－task of controlling by utilizing the ability of fast operation， information storage， logical judgment and data processing of DSP and so on.It realizes the goal of north－seeking and advances the ability of precision controlling and operation in the system at the same time.

navigation system of north－seeker； hardware； design

U666.1

A

1673－3185（2010）01－76－05

2009 － 11 － 08

鄭文成（1980 － ） ，男，碩士。研究方向：觀通導(dǎo)航總體設(shè)計(jì)。E-mail：zhengwencheng0610＠ 163. com

顏俐（1968 - ） ，女，高級工程師。研究方向：觀通導(dǎo)航總體設(shè)計(jì)