摘 要：文章旨在借助DSP技術(shù)設(shè)計(jì)一款滿足實(shí)際需求的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，并通過(guò)部分檢測(cè)結(jié)果證實(shí)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性。本文在闡述DSP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)該系統(tǒng)軟件和硬件，詳細(xì)介紹通信模塊、GPS模塊、電源模塊等設(shè)計(jì)情況，并開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果展開(kāi)分析。

關(guān)鍵詞：DSP技術(shù)；導(dǎo)航計(jì)算機(jī)；數(shù)據(jù)處理；軟硬件設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.149

0 引言

導(dǎo)航是指將運(yùn)動(dòng)載體根據(jù)一定規(guī)律沿著設(shè)定軌跡輸送至預(yù)訂目的地這一過(guò)程。早先導(dǎo)航過(guò)程中，因人類對(duì)自然現(xiàn)象認(rèn)識(shí)不深，主要運(yùn)用相對(duì)直觀的信息，設(shè)計(jì)原理也比較簡(jiǎn)單，這種情況難以保障導(dǎo)航精度。隨著科學(xué)技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)導(dǎo)航信息處理提出更高的要求。本次研究在提高數(shù)據(jù)處理功能、保障信息處理時(shí)效性基礎(chǔ)上，提出基于DSP技術(shù)的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以期為導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用提供一定指導(dǎo)。

1 概述DSP系統(tǒng)構(gòu)成要素

數(shù)字信號(hào)處理（DSP）是是一門涉及多方面的知識(shí)、應(yīng)用廣泛的新興學(xué)科，DSP系統(tǒng)是以數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)，其具有接口和編程方便、精度高等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)在通信、概率統(tǒng)計(jì)、數(shù)值分析等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。雖然數(shù)據(jù)信號(hào)處理理論發(fā)展比較迅速，但在20世紀(jì)80年代之前，由于實(shí)現(xiàn)方式的限制，數(shù)字信號(hào)處理理論并未獲得廣泛運(yùn)用。直至20世紀(jì)70年代，可編程的DSP芯片誕生，才徹底將理論應(yīng)用于實(shí)踐中，進(jìn)一步推動(dòng)新理論及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

2 導(dǎo)航計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

由于該系統(tǒng)有DSP、AD轉(zhuǎn)換等多種芯片，且這些芯片所需的電壓有所差異，這種條件下必須設(shè)計(jì)支持輸出多路獨(dú)立的電源模塊。加之，本次研究采用光耦隔離芯片把整個(gè)電路隔離成為沒(méi)有電連接兩個(gè)獨(dú)立的部分，對(duì)兩個(gè)部分之間不可有電連接。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

對(duì)溫度或模擬信號(hào)進(jìn)行采集時(shí)，想要對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行放大和AD轉(zhuǎn)換出來(lái)，并通過(guò)FPGA 完成相應(yīng)的處理。同時(shí)，運(yùn)用石英撓性加速度計(jì)對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行采集，雖然其測(cè)量精度較高，但輸出的是模擬信號(hào)，必須將其轉(zhuǎn)變?yōu)楸緮?shù)字信號(hào)方可被FPGA 采集[2]。一般情況下，常利用I/F 轉(zhuǎn)換或 A/D 采樣實(shí)現(xiàn)由模擬至數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。由于 I/F 轉(zhuǎn)換方法是基于電荷平衡理論實(shí)現(xiàn)的，其借助標(biāo)準(zhǔn)電流組成反積分電荷量，不斷修正及速度計(jì)輸出的積分荷量。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

導(dǎo)航計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)應(yīng)具有以下功能：依據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)初始化數(shù)據(jù)的要求，由外部獲取初始位置信息、姿態(tài)角度；及時(shí)采集加速度計(jì)、陀螺輸出的模擬信號(hào)并將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量[3]。同時(shí)，能夠根據(jù)實(shí)際要求計(jì)算角速度、加速度等信息。此外，對(duì)于系統(tǒng)和GPS輸出的速度及位置信息，綜合各自誤差方程，利用卡爾曼濾波法進(jìn)行求解，估算可能出現(xiàn)的誤差，并依據(jù)這個(gè)誤差值，對(duì)系統(tǒng)實(shí)施補(bǔ)償處理，以此獲得準(zhǔn)確的姿態(tài)、速度信息，并將其傳輸至控制單元上。

3.2 DSP啟動(dòng)加載模塊

啟動(dòng)加載作為DSP獨(dú)特的應(yīng)用程序運(yùn)行方法，當(dāng)DSP系統(tǒng)連上電后，會(huì)把FLASH芯片內(nèi)的應(yīng)用程序慢慢搬移至內(nèi)部或RAM內(nèi)，并由外擴(kuò)的RAM執(zhí)行相應(yīng)的程序。由于所用芯片內(nèi)包含IK字節(jié)的空間，因此，設(shè)計(jì)者應(yīng)編寫(xiě)一段程序，方可實(shí)現(xiàn)以下操作：（1）設(shè)置合理的EMIF參數(shù)，就是對(duì)外部RAM進(jìn)行初始化操作；（2）把FLASH上面的應(yīng)用程序搬移至最佳位置；將程序控制權(quán)上交至RAM應(yīng)用程序中。編寫(xiě)的小程序與導(dǎo)航程序依次進(jìn)行編譯，均燒寫(xiě)至FLASH芯片內(nèi)，如此系統(tǒng)充上電后，方可執(zhí)行啟動(dòng)加載過(guò)程。

3.3 GPS信息接收模塊

GPS能夠提供時(shí)間、經(jīng)緯度、速度、定位星數(shù)等信息，這些均由一組連續(xù)字節(jié)數(shù)據(jù)代表，主要包括信息頭、信息體和結(jié)尾，其中，信息頭設(shè)定固定、信息長(zhǎng)度、信息號(hào)字節(jié)均為1個(gè)。信息體包含多個(gè)字節(jié)，主要表示各類定位信息，一般由8個(gè)雙精度浮點(diǎn)數(shù)、4個(gè)單精度浮點(diǎn)數(shù)代表。對(duì)多個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)而言，通常低字節(jié)設(shè)置在前，高字節(jié)處于后邊，由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)接受一系列字節(jié)數(shù)據(jù)后，必須根據(jù)上述定義，把這一連續(xù)字節(jié)轉(zhuǎn)變成為所需的經(jīng)緯度等信息。GPS接收機(jī)能夠發(fā)出多組數(shù)據(jù)信息，上述信息借助信息頭進(jìn)行區(qū)分。

4 系統(tǒng)性能測(cè)試

4.1 測(cè)試組合導(dǎo)航解算時(shí)間

CCS6000C語(yǔ)言調(diào)試系統(tǒng)具有編譯、連接等功能，其中，優(yōu)化處理功能對(duì)提升程序運(yùn)行效率、縮短運(yùn)行時(shí)間產(chǎn)生積極地影響。在系統(tǒng)硬件平臺(tái)上展開(kāi)測(cè)試，只需編程組合導(dǎo)航算法，無(wú)需進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而測(cè)試導(dǎo)航算法在系統(tǒng)硬件平臺(tái)上所用的運(yùn)算時(shí)間。由下列數(shù)據(jù)可知，與不優(yōu)化對(duì)比，通過(guò)函數(shù)級(jí)優(yōu)化約能縮短3倍左右的運(yùn)行時(shí)間。加之，借助程序內(nèi)的關(guān)鍵循環(huán)展開(kāi)各項(xiàng)操作，從而充分運(yùn)用TMS320C67X的8級(jí)流水線，程序運(yùn)行效率還會(huì)有一定程度的提升。此外，使用最高級(jí)別優(yōu)化-O3運(yùn)算數(shù)量明顯提高，但不能展開(kāi)測(cè)試。

4.2 測(cè)試計(jì)脈沖數(shù)

綜上所述，運(yùn)用DSP技術(shù)對(duì)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)展開(kāi)設(shè)計(jì)，不僅能對(duì)程序?qū)嵤﹥?yōu)化處理，也能有效改善導(dǎo)航的進(jìn)度和準(zhǔn)確性。本文以DSP技術(shù)為研究視角，通過(guò)分析DSP系統(tǒng)主要構(gòu)成及特點(diǎn)基礎(chǔ)上，提出導(dǎo)航計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟硬件各模塊設(shè)計(jì)，并對(duì)計(jì)脈沖數(shù)、組合導(dǎo)航解算時(shí)間展開(kāi)測(cè)試，驗(yàn)證這種設(shè)計(jì)的有效性、可行性，以期為類似研究提供一定指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：劉旭東（1978-），男，博士，副教授，研究方向：光電傳感與檢測(cè)。endprint