青 澤，牟 東，廉 璞，李東杰

(中國工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽 621999)

0 引言

慣性導(dǎo)航是用陀螺儀和加速度計提供的測量數(shù)據(jù)確定所在運載體的位置的過程[1]。慣性導(dǎo)航試驗是驗證慣性導(dǎo)航設(shè)備、算法和技術(shù)的重要手段，如地面跑車試驗。目前開展慣性導(dǎo)航試驗的通常做法是針對某一具體任務(wù)和特定類型的慣性導(dǎo)航設(shè)備，臨時搭建相應(yīng)的試驗系統(tǒng)。這樣的方法具有試驗時間長、試驗系統(tǒng)無法用于其他類型的慣性導(dǎo)航設(shè)備，即不具有通用性等缺點。

DSP是繼單片機技術(shù)之后，當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中最為熱門的關(guān)鍵技術(shù)之一，具有運算速度快、實時性強、功耗低、抗干擾能力強等特點，廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)控制、自動化和信號處理等領(lǐng)域中[2-3]。

本文針對慣性導(dǎo)航試驗通常做法中存在的試驗時間長、試驗系統(tǒng)不具有通用性等缺點，設(shè)計了基于DSP的多通道慣性導(dǎo)航試驗系統(tǒng)，包含4路串口通信通道和2路A/D采集通道，理論上可滿足6套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)同時開展試驗。工程應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)至少可支持3套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)同時進行試驗，在保證試驗要求的同時，有效縮短試驗周期，降低試驗成本。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)

多通道慣性導(dǎo)航試驗系統(tǒng)主控芯片采用TMS320F2812，該芯片集成了2路串行通信接口SCI、1路串行外設(shè)接口SPI、3路外部中斷接口以及多達56個獨立的可編程多用途通用輸入輸出(GPIO)引腳[4]?；赥MS320F2812的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要由4部分組成：串口通信部分包括4路串口通信通道，A/D采集部分包括2路A/D采集通道，存儲器部分包括程序存儲器FLASH、數(shù)據(jù)存儲器SRAM和備用的鐵電存儲器，電源部分。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

多通道慣性導(dǎo)航試驗系統(tǒng)具有4路串口通信通道和2路A/D采集通道，可根據(jù)慣性導(dǎo)航設(shè)備接口類型的不同(如RS232/RS422)選擇不同的通道進行慣性導(dǎo)航試驗。需要多套慣性導(dǎo)航設(shè)備同時開展試驗時，將各設(shè)備通過對應(yīng)的通道分別連接至該系統(tǒng)，慣性導(dǎo)航設(shè)備的試驗數(shù)據(jù)通過各自通道發(fā)送至DSP，DSP按照慣性導(dǎo)航算法對接收到的數(shù)據(jù)進行處理后將數(shù)據(jù)存儲在存儲器中，試驗結(jié)束后從存儲器中讀取相關(guān)數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析處理，即可實現(xiàn)利用該系統(tǒng)搭載多套慣性導(dǎo)航設(shè)備同時進行慣性導(dǎo)航試驗。

2 硬件設(shè)計

多通道慣性導(dǎo)航試驗系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示，主要包括存儲器模塊設(shè)計、串口通信模塊設(shè)計、A/D采集模塊設(shè)計和電源模塊設(shè)計。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 存儲器模塊設(shè)計

存儲器模塊主要用于存儲軟件程序和試驗數(shù)據(jù)，包括程序存儲器FLASH、數(shù)據(jù)存儲器SRAM和備用的鐵電存儲器。

TMS320F2812的片內(nèi)已經(jīng)包含128 KB×16位的FLASH和18 KB×16位的RAM，但為了滿足該系統(tǒng)的通用性，需要進一步擴展其存儲空間。因此，在存儲器模塊設(shè)計中，通過TMS320F2812的外部接口XINTF外擴了512 KB×16位的FLASH和512 KB×16位的SRAM，同時通過TMS320F2812的SPI接口擴展了256 KB的鐵電存儲器作為備用存儲器。

圖3 存儲器模塊設(shè)計

2.2 串口通信模塊設(shè)計

目前市場上的慣性導(dǎo)航設(shè)備多采用串口通信接口，如RS232/RS422。因此，多通道慣性導(dǎo)航試驗系統(tǒng)設(shè)計了4路串口通信通道(包括2路RS232和2路RS485/422)。其中2路通道(通道3：RS232和通道4：RS485/422)直接通過TMS320F2812的SCIA和SCIB接口，利用其內(nèi)部中斷方式實現(xiàn)串口通信；另外2路通道(通道1:RS232和通道2:RS485/422)利用TMS320F2812的外部接口XINTF連接串口芯片XR16C854實現(xiàn)擴展串口通信，如圖4所示。

XR16C854是一款增強型4通道串口拓展芯片，其自身帶有128 Byte的FIFO和獨立的接收/發(fā)送FIFO計數(shù)器，能降低整體串口中斷服務(wù)時間，最大的傳輸速率可以達到2 MB/s[8]。如圖4所示，其一路通道通過MAX3323E實現(xiàn)RS232通信，另一路通道則通過ADM2582E實現(xiàn)RS485/422通信，其讀/寫(IOR/IOW)、通道片選(CSA/CSB)、中斷(INTA/INTB)以及數(shù)據(jù)(D0-D7)、地址(A0-A2)信號等分別連接至DSP的對應(yīng)引腳。

2.3 A/D采集模塊設(shè)計

一些慣性導(dǎo)航設(shè)備輸出的是模擬信號，如ADXRS64x系列陀螺儀產(chǎn)品。因此，多通道慣性導(dǎo)航試驗系統(tǒng)還設(shè)計了2路A/D采集通道。該模塊通過TMS320F2812的外部接口XINTF連接A/D轉(zhuǎn)換器AD7606實現(xiàn)。AD7606是一款16位的多路A/D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)置模擬輸入箝位保護、片內(nèi)精密基準(zhǔn)電壓和輸入運放緩沖器，在不降低分辨率的情況下，可顯著減少外圍器件，有效節(jié)約系統(tǒng)空間[9-11]。

圖4 串口通信模塊設(shè)計

圖5 A/D采集模塊設(shè)計

2.4 電源模塊設(shè)計

多通道慣性導(dǎo)航試驗系統(tǒng)的電源輸入可由地面設(shè)備(如直流穩(wěn)壓電源)或電池提供。輸入電壓為5 V，系統(tǒng)內(nèi)各模塊需求電壓主要有5 V和3.3 V，因此，采用DC/DC轉(zhuǎn)換器RS-053.3S實現(xiàn)5 V電壓到3.3 V電壓的轉(zhuǎn)換，電源設(shè)計如圖6所示。

圖6 電源模塊設(shè)計

3 軟件設(shè)計

多通道慣性導(dǎo)航試驗系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化的設(shè)計思路，軟件流程圖如圖7所示。系統(tǒng)上電后首先執(zhí)行DSP初始化操作，并進行串口配置和A/D初始化等操作，當(dāng)各通道通信正常后，開始慣性導(dǎo)航試驗；試驗過程中，來自各慣性導(dǎo)航設(shè)備的試驗數(shù)據(jù)經(jīng)由各通道發(fā)送至DSP，DSP根據(jù)事先設(shè)計的程序算法進行數(shù)據(jù)處理，并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機，在上位機可對試驗數(shù)據(jù)進行初步判定，當(dāng)判定數(shù)據(jù)正常時，DSP將數(shù)據(jù)存儲在存儲器中，直至試驗結(jié)束。

圖7 軟件流程圖

4 工程應(yīng)用

在某試驗任務(wù)中，需要利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測量載體相對于上電啟動點的距離，要求距離測量誤差小于500 m。為此，設(shè)計了3套不同類型的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(分別記為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)A、B、C)和相對導(dǎo)航算法。為驗證導(dǎo)航算法的有效性，同時對比3套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的性能差異，利用本文設(shè)計的多通道慣性導(dǎo)航試驗系統(tǒng)同時搭載3套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進行跑車試驗。

圖8為手機導(dǎo)航記錄的跑車試驗實際運動軌跡，圖9為試驗系統(tǒng)得到的3套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)記錄的運動軌跡與GPS真實運動軌跡的對比，從圖9可以看出，利用試驗系統(tǒng)搭載的各套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)記錄的運動軌跡與實際軌跡基本吻合。圖10和圖11分別為3套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的東向軌跡誤差和北向軌跡誤差。從圖中可以看出，3套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的距離測量誤差均滿足設(shè)計要求，但各套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的性能存在一定的差異。

圖8 手機導(dǎo)航記錄的運動軌跡

圖9 試驗系統(tǒng)記錄的各系統(tǒng)運動軌跡

本次試驗說明，利用多通道慣性導(dǎo)航試驗系統(tǒng)不僅可進行導(dǎo)航算法的驗證，還可同時進行多套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的對比試驗，具有一定的通用性，有效縮短了試驗周期，降低了試驗成本。

圖10 各慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測得的東向軌跡誤差

圖11 各慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測得的北向軌跡誤差

5 結(jié)束語

采用TMS320F2812處理器作為主控芯片，設(shè)計了具有4路串口通信通道和2路A/D采集通道的多通道慣性導(dǎo)航試驗系統(tǒng)。工程應(yīng)用結(jié)果表明：該系統(tǒng)至少可支持3套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)同時進行試驗，具有一定的通用性，可有效縮短試驗周期，降低試驗成本。