王 彤，馬建倉,秦 濤，齊金剛

（西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院,陜西 西安 710072）

基于DSP/BIOS多線程的小型組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 彤，馬建倉,秦 濤，齊金剛

（西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院,陜西 西安 710072）

將GPS與SINS組合起來可以充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢，是一種實(shí)用的導(dǎo)航方式。但是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案都是在雙端口RAM的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸?shù)?，因此?huì)帶來體積大、成本高、功耗大等問題。基于小型化GPS/SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的目的，本設(shè)計(jì)采用DSP/BIOS多線程編程技術(shù)對TMS320F28335數(shù)字信號處理器進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。工程實(shí)現(xiàn)的結(jié)果證明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不僅導(dǎo)航功能完整、性能穩(wěn)定，更具有成本低、體積小和功耗低的特點(diǎn)，在普通的導(dǎo)航領(lǐng)域有一定的應(yīng)用價(jià)值。

組合導(dǎo)航；MEMS；多線程；雙端口RAM

捷聯(lián)慣性導(dǎo)航 （Strapdown Inertial Navigation System，SINS）是隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展而逐漸成熟的一種新興技術(shù)，已經(jīng)成為了一個(gè)國家科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)省去了慣性平臺(tái)，直接將慣性器件安裝在載體上，所以結(jié)構(gòu)簡單、體積小、維護(hù)方便。它不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，因此不易受到干擾，是一種自主導(dǎo)航方式.但存在誤差積累、對準(zhǔn)時(shí)間長并且不能提供時(shí)間信息等缺點(diǎn)。GPS作為一種家喻戶曉的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)卻不存在上述問題，而且導(dǎo)航精度較高。但GPS信號容易被遮擋，數(shù)據(jù)率較低并且無法再高動(dòng)態(tài)中使用。若將GPS與SINS取長補(bǔ)短，組合起來設(shè)計(jì)導(dǎo)航系統(tǒng)，便可以實(shí)現(xiàn)捷聯(lián)慣導(dǎo)與GPS的優(yōu)勢互補(bǔ)。在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中，二者的有機(jī)組合是必要的，即使采用低精度的MEMS傳感器，GPS/SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)在許多應(yīng)用領(lǐng)域中也可以滿足用戶的導(dǎo)航定位需求。

為了使GPS/SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)體積更小、成本更低，系統(tǒng)在單片機(jī)和DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，沒有采用常用的雙口RAM[1-3]思想來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存功能，而是充分利用了DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，利用CCS環(huán)境提供的DSP/BIOS多線程工具進(jìn)行程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，將單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在DSP的擴(kuò)展RAM中，再進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取與處理，從而減小了系統(tǒng)體積。

1 系統(tǒng)的硬件組成和工作原理

研制的組合導(dǎo)航系統(tǒng)由傳感器單元[4]、信號采集單元、導(dǎo)航解算與組合單元等組成。具體的硬件組成如圖1所示。

1.1 傳感器單元

傳感器單元包括微慣性測量單元（MIMU）及其信號放大電路、磁阻傳感器、高度計(jì)模塊和GPS模塊，具體硬件框圖如圖1所示。

微慣性傳感單元是本設(shè)計(jì)中微慣性測量單元的核心，包括MEMS陀螺和加速度計(jì)兩部分。其中陀螺選用的是ADXR624，它是由AD公司研制的一款功能全、低成本的單軸角速率傳感器，具有體積小、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。芯片上提供兩個(gè)自測功能引腳和一個(gè)溫度補(bǔ)償輸出引腳，用戶可以通過編程通過溫度補(bǔ)償算法進(jìn)一步提高陀螺信號輸出的精度。加速度計(jì)選用的是AD公司的三軸加速度計(jì)ADXL335，既可以用來測量重力引起的靜態(tài)加速度，也可以用來測量由運(yùn)動(dòng)、沖擊或者振動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)加速度，3個(gè)輸出引腳上可各自用一個(gè)電容來方便的控制輸出信號的帶寬。陀螺和加速度計(jì)的 輸出信號均采用 放大器進(jìn)行信號隔離放大。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 Hardware diagram of the GPS/SINS integrated navigation system

磁阻傳感器用于電子羅盤的設(shè)計(jì)，采用的是Honeywell公司的HMC1043。該芯片靈敏度較高，可以用來測量從數(shù)十微高斯到六高斯強(qiáng)度的磁通量，多用于低磁場強(qiáng)度磁性傳感器電路的應(yīng)用設(shè)計(jì)中，具有小型化、性價(jià)比高、易于裝配等優(yōu)點(diǎn)。 磁阻輸出信號經(jīng)過AD623信號放大電路進(jìn)行差分放大。

高度計(jì)模塊選用的是Bosch公司的BMP085，該芯片可以直接與單片機(jī)的I2C總線相連，氣壓和溫度數(shù)據(jù)必須通過BMP085上E2PROM中的矯正數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。它具有超低功耗和低工作電壓的特點(diǎn)，并且器件工作噪聲低，適用于各種移動(dòng)設(shè)備中。由于它輸出的是氣壓數(shù)據(jù)，因此輸出的數(shù)據(jù)受溫度和氣候的影響較大。

GPS模塊選用的是臺(tái)灣HOLUX公司的GY—87，它采用的是SiFR star三代芯片，具有很強(qiáng)的搜星能力。該模塊具有高性能、低功耗、體積小和易于集成等優(yōu)點(diǎn)。GY—87的輸出語句以及波特率可根據(jù)用戶需要進(jìn)行刪減和更改。該GPS模塊采用NMEA0183 ASCII碼輸出，為提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送效率，設(shè)計(jì)時(shí)定制GPS輸出語句僅保留推薦最小化具體衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)（GPRMC）語句，同時(shí)定制波特率為9 600Baud。

1.2 信號采集單元

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集單元由兩部分組成，一是初始對準(zhǔn)時(shí)采用的ADUC842單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器；二是MIMU工作時(shí)采用的ADS8344 A/D轉(zhuǎn)換器。

ADUC842單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器采集磁阻傳感器和MEMS加速度計(jì)的數(shù)據(jù)，用于磁阻電子羅盤設(shè)計(jì)。ADuc842單片機(jī)由外部32.768 KHz的無源晶振提供時(shí)鐘，經(jīng)過內(nèi)部鎖相環(huán)，時(shí)鐘倍頻后，單片機(jī)時(shí)鐘頻率可達(dá)16.67 MHz。提供了SCI、SPI和I2C3種類型的串口，設(shè)計(jì)時(shí)，將SPI用于控制采樣芯片和接收采樣芯片數(shù)據(jù)，SCI用于單片機(jī)向DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，I2C用于接收高度計(jì)氣壓數(shù)據(jù)。由于ADuc842的SPI與I2C共用了MOSI、MISO與SCLOCK引腳，因此在同時(shí)使用這兩個(gè)串口模塊時(shí)，需要將寄存器CFG841/CFG842的MSPI位置位，同時(shí)將 SPI的MOSI、MISO與SCLOCK管腳移至P3.3、P3.4 和 P3.5。

ADS8344數(shù)據(jù)采集芯片用于對精度要求較高的MEMS陀螺和加速度計(jì)的數(shù)據(jù)采集，它是一款16位8通道AD轉(zhuǎn)換器。輸入方式采用8通道單端輸入，串口異步傳輸。電路采用SPI串口進(jìn)行ADS8344和單片機(jī)之間的通信和數(shù)據(jù)的傳輸。由于芯片上DOUT、DIN和DCLK3個(gè)引腳通信時(shí)的電壓值很低，為避免產(chǎn)生不必要的誤碼，提高傳輸質(zhì)量，在此3個(gè)管腳上增加了驅(qū)動(dòng)電路，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。ADS8344的時(shí)鐘信號由單片機(jī)經(jīng)分頻后提供，一次AD轉(zhuǎn)換時(shí)間為24個(gè)時(shí)鐘周期，最高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)100 kHz，在此情況下多對應(yīng)的時(shí)鐘頻率 fclk=24×fs=2.4 MHz。

1.3 導(dǎo)航解算與組合單元

系統(tǒng)采用TMS320F28335 DSP用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始對準(zhǔn)、導(dǎo)航解算以及組合導(dǎo)航的等功能，TMS320F28335提供了高達(dá)150 MHz的主頻頻率，支持32位的浮點(diǎn)運(yùn)算，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。設(shè)計(jì)時(shí)，采用數(shù)字信號處理器的3個(gè)SCI模塊作為對外數(shù)據(jù)傳輸接口，分別用于接收GPS的數(shù)據(jù)、接收單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)和向上位機(jī)發(fā)送處理之后的數(shù)據(jù)。采用BIOS工具進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，擴(kuò)展了256K×16的RAM和512K×16的flash以滿足DSP數(shù)據(jù)處理時(shí)對存儲(chǔ)空間的要求。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

DSP/BIOS[5]是CCS提供的一套支持多線程的程序設(shè)計(jì)工具，它本身占據(jù)很少的CPU資源，可以幫助開發(fā)人員更加方便的控制DSP的硬件資源，更加靈活的協(xié)調(diào)DSP各個(gè)模塊的工作，從而大大提高軟件的開發(fā)速度和調(diào)試進(jìn)度。DSP/BIOS提供底層的應(yīng)用函數(shù)接口，支持系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析、線程管理、調(diào)度軟件中斷、周期函數(shù)和idle函數(shù)(后臺(tái)運(yùn)行函數(shù))以及外部硬件中斷與各種外設(shè)的管理。它提供了 CLK、PRD、HWI、SWI、TSK與IDL等線程類型，同時(shí)CCS還提供多種分析和評估代碼工具，可以方便直觀地了解CPU在代碼各個(gè)部分的開銷情況，功能十分強(qiáng)大。通過線程的調(diào)度，可以將數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與讀取工作放在DSP處理器中進(jìn)行，將DSP因此可省去CPU之間數(shù)據(jù)緩存空間，直接進(jìn)行CPU間的數(shù)據(jù)傳輸。采用DSP/BIOS工具進(jìn)行DSP程序設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件流程如圖2所示。

在DSP/BIOS環(huán)境下，main函數(shù)僅僅執(zhí)行必要的初始化工作，初始化工作結(jié)束之后，CPU將控制權(quán)交給DSP/BIOS，由DSP/BIOS進(jìn)行線程的調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取、系統(tǒng)初始對準(zhǔn)[6]、四元數(shù)姿態(tài)解算[7]、速度和位置解算和無跡kalman濾波[8]功能。DSP程序中的DSP/BIOS中斷線程如表1所示。

表1 .DSP/BIOS配置的中斷Tab.1 Interruption configuration of DSP/BIOS

圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.2 Software diagram of the GPS/SINS integrated navigation system

在多線程調(diào)度時(shí)，硬中斷的優(yōu)先級要高于軟中斷的優(yōu)先級，系統(tǒng)默認(rèn)從小到大順序設(shè)置硬中斷優(yōu)先級。系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)只接受單片機(jī)送來的初始對準(zhǔn)原始數(shù)據(jù)，觸發(fā)硬中斷PIE_INT9_3，在此硬中斷響應(yīng)函數(shù)中發(fā)出軟中斷Init_Align_swi進(jìn)行初始對準(zhǔn)解算。解算完畢后根據(jù)GPS和單片機(jī)數(shù)據(jù)到來的先后觸發(fā)相應(yīng)的硬中斷PIE_INT8_5和PIE_INT9_3，調(diào)用各自的數(shù)據(jù)解算/解析軟中斷，若在響應(yīng)PIE_INT9_3中斷函數(shù)期間，GPS觸發(fā)PIE_INT8_5，則停止響應(yīng)PIE_INT9_3，開始接受GPS數(shù)據(jù)。根據(jù)GPS定位狀態(tài)系統(tǒng)選擇是否進(jìn)行組合導(dǎo)航，最終觸發(fā)PIE_INT9_2硬中斷，將處理后的數(shù)據(jù)送至上位機(jī)顯示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

上位機(jī)通過MAX3232串口模塊接收DSP送來的數(shù)據(jù)。在上位機(jī)上利用MFC編寫了顯示程序，如圖3所示。根據(jù)GPS定位狀態(tài)和用戶的選擇，系統(tǒng)可輸出3種導(dǎo)航信息，分別是GPS導(dǎo)航信息、GPS不工作時(shí)的捷聯(lián)慣導(dǎo)導(dǎo)航信息和GPS工作時(shí)的組合導(dǎo)航信息。

GPS定位狀態(tài)下，采用無跡卡爾曼濾波算法對GPS導(dǎo)航信息和捷聯(lián)慣導(dǎo)輸出信息進(jìn)行信息融合，利用本系統(tǒng)在西北工業(yè)大學(xué)長安校區(qū)部分學(xué)院樓及教學(xué)樓周邊進(jìn)行了跑車實(shí)驗(yàn)，軌跡如圖4所示。

圖4 跑車實(shí)驗(yàn)軌跡圖Fig.4 Locus diagram of the vehicle experiment

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種功耗低、成本低的小型組合導(dǎo)航系統(tǒng)，利用CCS環(huán)境提供的BIOS工具降低了硬件設(shè)計(jì)和DSP程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，解決了以往雙端口RAM硬件設(shè)計(jì)帶來的高功耗、大體積等問題。利用該系統(tǒng)在西北工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了跑車實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)功能完整，工作性能穩(wěn)定，達(dá)到了一定的導(dǎo)航精度。

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Design of small-sized integrated navigation system based on DSP/BIOS multithread

WANG Tong，MA Jian-cang，QIN Tao，QI Jin-gang
（College of Electronic Information,Northwesten Polytechnic University,Xi’an 710072,China）

GPS/SINS integrated navigation system can take advantage of both global positioning system and strapdown inertial navigation system,it is an ideal way to navigate.But the traditional design proposals are always based on dual port RAM which are used for data storage and transmission,therefore leads to large size,high cost and high power dissipation.Aiming at miniaturizing the GPS/SINS integrated navigation system,DSP/BIOS multithreading is applied in the programming procedure of DSP TMS320F28335.The results show that,the designed system has not only ideal navigation function and stable performance,but also the advantages of low cost,small size and low power dissipation characteristics,having a value in ordinary navigation field.

integrated navigation;MEMS;multithread；dual port RAM

TN962

A

1674-6236（2014）13-0081-03

2013-10-20 稿件編號：201310126

王 彤（1986—），男，河南杞縣人，碩士，助理工程師。研究方向：導(dǎo)航控制。