3.1  
 系统需求分析  
 
 
 3.1.1  
 系统功能设计要求  
 
 
 本硬件处理平台的主要任务有三类,一是数据采集,包括采集惯性测量元件  
 
 
 的输出信号,接收外部系统校正信息,如  
 GPS  
 信息等;二是数据处理与计算,包  
 
 
 括惯性测量元件的误差补偿、初始对准、导航参数解算和在线校正滤波等;三是  
 
 
 导航数据输出,包括导航参数输出以及与主控设备信息交换等。  
 
 
 本硬件电路系统要实现的具体功能包括  
 
 
 ( 
 1 
 )对三路加速度计模拟信号进行高精度模数转换;  
 
 
 (2)定时采集三路陀螺仪的数字量信号;  
 
 
 (3)定时采集一路  
 GPS  
 信号及其秒脉冲时基信号;  
 
 
 (4)定时采集一路气压计数字信号;  
 
 
 (5)定时采集两路里程脉冲信号;  
 
 
 (6)定时采集  
 5  
 路测温传感器数字信号;  
 
 
 (7)将所得到的信号进行导航解算处理以及将各种数据进行打包,分别经过  
 
 
 一路  
 CAN  
 接口、一路  
 RS232  
 接口和一路  
 RS422  
 接口输出。 
 
 
  3.1.2  
  系统性能设计要求  
 
 
  
  1 
  、输入电源为单路直流电压源,电压范围是  
  18V 
  ~ 
  36V 
  ,最大电流  
  1A 
  。  
 
 
  
  2 
  、 
  AD  
  转换要求  
 
 
  
  ( 
  1 
  )输入信号形式为 
   X 
  、 
  Y 
  、 
  Z  
  三路加速度计输出的模拟电流信号;  
 
 
  
  (2)输入范围 
  ±8 
  mA 
  ;  
 
 
  
  (3)线性度 
  <1.0×10  
   
  4  
  ;  
 
 
  
  (4)对称性 
  <1.0×10  
   
  4  
  ;  
 
 
  
  (5)数据分辨率不低于  
  24  
  位,实际测试精度不低于  
  18  
  位;  
 
 
  
  (6)加速度计模数转换电路带宽不低于  
  100Hz 
  。  
 
 
  
  3 
  、接收五路测温传感器的数字信号,信号更新率为每秒一次。  
 
 
  
  4 
  、输入信号接口形式  
 
 
  
  ( 
  1 
  )七路总线输入 
 
 
  
   a.  
   三路异步串行总线  
   RS422 
   ,波特率软件可设置,需光耦隔离,总线接收缓  
  
 
   
   冲区不小于  
   256  
   字节;  
  
 
   
   b.  
   两路异步串行总线  
   RS232 
   ,波特率软件可设置,需光耦隔离,接收缓冲区  
  
 
   
   不小于  
   256  
   字节,分别用于接收  
   GPS  
   信号和气压计信号;  
  
 
   
   c.  
   一路异步串行总线  
   RS422 
   ,波特率软件可设置,需光耦隔离,全双工工作  
  
 
   
   模式,用于接收信号和发送指令信息,总线接收缓冲区不小于  
   256  
   字节;  
  
 
   
   d.  
   预留一路异步串行总线  
   RS422 
   ,波特率软件可设置,需光耦隔离,全双工  
  
 
   
   工作模式,总线接收缓冲区不小于  
   256  
   字节。  
  
 
   
   (2)两路里程计输入信号  
  
 
   
   里程计为方波信号,低电平最大为  
   1 
   V  
   高电平为  
   4.5 
   V 
   ~ 
   12 
   V 
   ,信号频率不大于  
  
 
   
   10 
   KHz 
   ,由板卡处理器对其进行计数。其中一路信号用作行车信号,高电平脉冲  
  
 
   
   累加,低电平不计数,另一路信号用作倒车信号,高电平脉冲递减,低电平不计  
  
 
   
   数。  
  
 
   
   5 
   、输出信号接口形式  
  
 
   
   ( 
   1 
   ) 一路  
   RS422  
   通用异步串行通讯接口,全双工传送,双端隔离,波特率  
  
 
   
   允许软件更改;  
  
 
   
   (2)一路  
   RS232  
   通用异步串行通讯接口,双端隔离,通讯波特率允许软件  
  
 
   
   更改;  
  
 
   
   (3)一路  
   CAN  
   通讯接口,满足标准  
   CAN  
   总线协议,允许软件对发送数据  
  
 
   
   的波特率进行控制, 
   FIFO  
   缓冲区大小不小于  
   64  
   字节。  
  
 
   
   3.2  
   系统总体设计概述  
  
 
   
   3.2.1  
   系统各模块概述  
  
 
   
   本系统要求包括丰富的外设接口和高精度的数据采集,同时还具备强大的数  
  
 
   
   据处理能力,以满足实际应用对精度和实时性的双重要求。  
  
 
   
   系统功能框图如图  
   3.1  
   所示,其主要的模块有  
  
 
   
   ( 
   1 
   )电源模块。其主要作用是把外部输入的  
   18 
   V 
   ~36 
   V  
   的电压源转换成系统  
  
 
   
   所需的各种电压,并对电源进行监控和管理;  
  
 
   
   (2)外设通信模块。主要作用是跟外部设备进行通信接口;  
  
 
   
   (3)模数转换模块。其主要作用是接收外设输入的三路电流信号,并对其进  
  
 
   
   行高精度的采集与转换,再把转换得到的数据发送给处理器,以便做进  
  
 
   
   一步的处理;  
  
 
   
   (4)板卡测温模块。其主要作用是测量板卡自身的温度,用于对板卡进行温 
    
     
 
    
   
 
  
    度补偿校正;  
   
 
    
    (5)数据处理模块。其主要作用是接收外设发送的信息,并对其做相应的处  
   
 
    
    理,然后把结果通过总线接口发送出去。它主要包含两个子模块即  
    FPGA  
   
 
    
    为核心的数字信号协处理器和  
    DSP  
    核心运算处理器。 
   
 
    
 
    
    3.2.2  
    处理器架构  
   
 
    
    实时信号处理系统中,低层的信号预处理算法处理的数据量大,对处理速度  
   
 
    
    要求高,但运算结构相对比较简单,适于用  
    FPGA  
    进行硬件实现。高层处理算法  
   
 
    
    所处理的数据量较低层算法少,但算法的控制结构复杂,适于用运算速度高、寻  
   
 
    
    址方式灵活、通信机制强大的  
    DSP  
    芯片来实现。采用  
    DSP+FPGA  
    的数字硬件系  
   
 
    
    统就可以把二者优点结合一起,兼顾速度和灵活性,既满足底层信号处理要求,  
   
 
    
    又满足高层信号处理要求 
    [21] 
    。 
    DSP+FPGA  
    系统最大的优点是结构灵活,具有较强  
   
 
    
    的通用性,适合于模块化设计,从而能够提高算法效率;同时其开发周期较短,  
   
 
    
    系统容易维护和扩展,适合实时信号处理。  
   
 
    
    DSP+ FPGA  
    系统的核心由  
    DSP  
    芯片和  
    FPGA  
    芯片组成。另外还包括一些外  
   
 
    
    围的辅助电路,如存储器、先进先出( 
    FIFO 
    )器件及  
    FLASH  
    存储器等。 
    FPGA  
   
 
    
    电路与  
    DSP  
    相连,利用  
    DSP  
    处理器强大的  
    I/O  
    功能实现系统内部的通信。从  
    DSP  
   
 
    
    角度看, 
    FPGA  
    相当于它的协处理器,外部电路辅助核心电路进行工作。 
    DSP  
    和  
   
 
    
    FPGA  
    各自带有  
    RAM 
    ,用于存放处理过程所需要的数据及中间结果。 
    FLASH  
    存  
   
 
    
    储器中存储了  
    DSP  
    执行程序和  
    FPGA  
    的配置数据。 
    FIFO  
    器件则用于实现信号处  
   
 
    
    理中常用到的一些操作,如延迟线、顺序存储等。 
   
 
    
    DSP  
    的外围电路主要是  
    FLASH 
    、存储器和  
    SRAM 
    ,需要完成相应的电路设  
   
 
    
    计。它需要连接的连线主要包括  
    DSP  
    模式选择、时钟模式选择、 
    JTAG 接口和电 
     
      
 
     
    
 
    
   
     源等。 
     FPGA  
     外围电路主要包括用于配置的  
     PROM 
     、 
     FLASH 
     、模数转换和  
     FIFO  
    
 
     
     器件等。除了这些电路需要设计外还需设计的电路包括  
     FPGA  
     模式选择、全局时  
    
 
     
     钟、 
     JTAG  
     接口、输出 
     / 
     输入接口、测试口和电源等。  
    
 
     
     3.3  
     主要器件选型  
    
 
     
     3.3.1 DSP 
     选型  
    
 
     
     由于本系统需要进行大量的实时信号处理,所以  
     DSP  
     芯片必需具有强大的数  
    
 
     
     据运算能力,同时为了保证导航定位的精度,需要进行大量的浮点运算。  
    
 
     
     针对以上要求,本设计中的  
     DSP  
     选取美国德州仪器公司( 
     TI 
     )生产的  
    
 
     
     TMS320C6713GDPA 
     。 
     TMS320C6713  
     是  
     32  
     位浮点  
     DSP 
     ,最高工作主频可达  
     300  
    
 
     
     MHz 
     ,处理速度高达  
     2400MIPS 
     。如图  
     3.2  
     所示,该  
     DSP  
     使用  
     2  
     级缓存架构,第  
    
 
     
     一级是一个程序缓存( 
     L1P 
     )和一个高速数据缓存( 
     L1D 
     ),容量都是  
     4KB 
     。第二  
    
 
     
     级是一个程序和数据共享的存储器,容量为  
     256KB 
     ,其中的  
     64KB  
     可以配置成高  
    
 
     
     速缓存和寄存器,剩下的  
     192KB  
     可以配置成内部的静态存储器( 
     SRAM 
     )。片内  
    
 
     
     有丰富的外设资源,其中含有两个多声道音频串行接口( 
     McASP 
     )、两个多通道  
    
 
     
     缓冲串行接口( 
     McBSP 
     )、两组  
     I2C  
     总线、一组通用的输入 
     / 
     输出接口( 
     GPIO 
     )、  
    
 
     
     两个  
     32  
     位通用定时器和一个  
     16  
     位主机接口( 
     HPI 
     )。此外, 
     TMS320C6713  
     还有  
    
 
     
     32  
     位的外部并行总线接口( 
     EMIF 
     ),分为  
     4  
     个存储空间( 
     CE0 
     ~ 
     CE3 
     ),每个存储  
    
 
     
     空间的寻址范围为  
     256M  
     字节,可以访问  
     8  
     位、 
     16  
     位或  
     32  
     位数据宽度,每个空  
    
 
     
     间均可与  
     SDRAM 
     、 
     SBSRAM  
     及其它的异步外设实现无缝接口 
     [22] 
     。 
     TMS320C6713  
    
 
     
     主要特点是 
     [23] 
     :  
    
 
     
     ( 
     1 
     )采用超长指令字( 
     VLIW 
     )结构,单指令字长为  
     32  
     位,指令包里有  
     8  
     个  
    
 
     
     指令,总字长达到  
     256  
     位。程序运行时通过专门的指令分配模块,可以将每个  
     256  
    
 
     
     位的指令包同时分配到  
     8  
     个处理单元,并由  
     8  
     个单元同时运行。 
    
 
     
 
     
     (2)采用二级缓冲处理, 
     4KByte  
     直接匹配的程序缓冲  
     L1P 
     , 
     4KByte  
     可匹配  
    
 
     
     的数据缓冲  
     L1D 
     , 
     256Kbyte L2  
     额外匹配内存。 
     32  
     位外部存储器接口,可无缝连  
    
 
     
     接  
     SRAM 
     、 
     EPROM 
     、 
     Flash 
     、 
     SBSRAM  
     和  
     SDRAM 
     。 
    
 
     
     (3)丰富的外设,包括  
     DMA 
     , 
     EDMA 
     ,扩展总线,具有主机口和  
     I/O  
     端口  
    
 
     
     操作等功能,多通道缓冲串口,其通过配置能和多种串行通信接口通信,两个  
     32  
    
 
     
     位通用定时器等。  
    
 
     
     (4)内核有两套相同的运算核心,可以并行运行。  
    
 
     
     3.3.2 FPGA 
     选型  
    
 
     
     FPGA  
     是一种可由用户根据所设计的要求,在现场由自己配置和定义的高密  
    
 
     
     度专用数字集成电路,属于一种特殊的  
     ASIC 
     (专用集成电路)芯片。 
     FPGA  
     具有  
    
 
     
     寄存器资源丰富和容量大的优点,适合于实现数据密集型的系统,并且可以进行  
    
 
     
     SOPC 
     (可编程偏上系统)设计。 
     FPGA  
     主要优点包括  
    
 
     
     ( 
     1 
     ) 
     FPGA  
     的用户现场可编程的特性大大缩短了设计周期,使产品的上市时  
    
 
     
     间大大缩短,适合现代的市场竞争需求。  
    
 
     
     (2)芯片的规模越来越大,其单片逻辑门数量已达上千万门,能实现的功能  
    
 
     
     也越来越强。可以大大减少印刷电路板的空间和降低系统功耗。从而实现高可靠  
    
 
     
     性和高密度的系统集成。  
    
 
     
     (3) 
     FPGA  
     可以反复编程,重复使用,没有前期投资风险,且可以在开发系  
    
 
     
     统中直接进行系统仿真,所以可以极大地减少工艺实现的损耗。  
    
 
     
     Xilinx  
     公司是世界上最大的  
     FPGA  
     供应商之一。 
     Xilinx  
     的主流  
     FPGA  
     分为两  
    
 
     
     大类,一种侧重低成本应用,容量中等,性能可以满足一般的逻辑设计要求,如 
      
       
 
      
     
 
     
      Spartan  
      系列;还有一种侧重于高性能应用,容量大,性能能满足各类高端应用,  
     
 
      
      如  
      Virtex  
      系列。 
      Virtex- 
      Ⅱ 
      系列是  
      Xilinx  
      公司近几年研发的具有高性能、高速度和  
     
 
      
      低功耗特点的新一代  
      FPGA 
      。该系列  
      FPGA  
      基于  
      IP  
      核和专用模块设计,能够为电  
     
 
      
      信、无线电、网络、视频和数字信号处理领域的应用提供完整的解决方案。  
     
 
      
      本系统中  
      FPGA  
      主要用于逻辑控制和协处理,为了便于系统功能升级,经过  
     
 
      
      比较和筛选,本设计选取了  
      Xilinx  
      公 司  
      Virtex  
      系列的  
      FPGA  
      芯 片  
     
 
      
      XC2V1000-5FG256I 
      。该  
      FPGA  
      是  
      256  
      管脚  
      BGA  
      封装,可用的输入输出接口( 
      I/O 
      )  
     
 
      
      有  
      172  
      个,内核电压为  
      1.5 
      V 
      , 
      I/O  
      电压为  
      3.3 
      V 
      ,工作温度范围是 
      -40°C 
      ~ 
      +100°C 
      ,  
     
 
      
      系统门密度为  
      1M 
      ,内嵌专用硬件乘法器,内嵌的  
      720Kbit  
      的块存储器( 
      BlockRAM 
      )  
     
 
      
      可以配置成  
      RAM 
      、 
      FIFO  
      和双口  
      RAM 
      ,以及包含  
      8  
      个数字时钟管理模块( 
      Digital  
     
 
      
      Clock Manager DCM 
      )频率可高达  
      420MHz 
      [24] 
      。足够满足本采集系统的各项功能  
     
 
      
      设计要求和系统功能的扩展升级。  
     
 
      
      如图  
      3.3  
      所示,该  
      FPGA  
      芯片主要由六部分组成,包括:可编程输入输出单  
     
 
      
      元、基本可编程逻辑单元、完整的时钟管理、嵌入式块  
      RAM 
      、丰富的布线资源、  
     
 
      
      内嵌的底层功能单元和内嵌的专用硬件模块 
      [25] 
      。  
     
 
      
 
      
      3.3.3 ADC 
      选型  
     
 
      
      ADC  
      芯片的选择是关系到整个数据采集系统性能指标的关键。基于大动态范  
     
 
      
      围,高精度和低噪声的考虑,经过比较分析,本系统选用  
      TI  
      公司的  
      ADS1282  
      作  
     
 
      
      为本系统的  
      ADC  
      器件。  
     
 
      
      ADS1282  
      是一款针对工业应用、具极高性能的  
      31  
      位 
      ∑- 
      △ 
      型模数转换器。该  
     
 
      
      转换器具有稳定四阶 
      ∑- 
      △ 
      调制器,因而具有非常良好的噪声和线性特性。该调制  
     
 
      
      器的输出既可以和片上的数字滤波器联合使用,也可旁路输出。数字滤波器可通  
     
 
      
      过编程来选择不同的滤波器组合方式。片上多路选择器( 
      MUX 
      )既可提供用于测  
     
 
      
      量的附加外部输入,也可用于内部自检电路。片上可编程放大器( 
      PGA 
      )具有极  
     
 
      
      低的噪声和高输入阻抗。同时,片上的增益及失调检测寄存器可支持系统校准功  
     
 
      
      能 
      [26] 
      。 
      ADS1282  
      的额定工作温度范围为 
      -40 
      ℃ 
      ~ 
      +85 
      ℃ 
      ,适用于能源探测、地震检  
     
 
      
      测和高精度仪器仪表等要求苛刻的工业应用领域。  
     
 
      
      ADS1282  
      的主要特点有  
     
 
      
      ( 
      1 
      )高分辨率:在高精度模式,数据输出率为  
      250 SPS  
      时信噪比( 
      SNR 
      )达  
     
 
      
      130  
      dB 
      ,而在低功耗模式,数据输出率为  
      250 SPS  
      时信噪比( 
      SNR 
      )也可达  
      127  
      dB 
      ;  
     
 
      
      (2)高精度:总谐波失真( 
      THD 
      )为 
      -122  
      dB 
      ,积分非线性( 
      INL 
      )为  
      0.5  
      ppm 
      ;  
     
 
      
      (3)具有低噪声可编程放大器( 
      PGA 
      ): 
      5  
     
 
      
      /  
     
 
      
      nV H 
     
 
      
      z  
      ,放大倍数为  
      1~64 
      ;  
     
 
      
      (4)具有双通道多路选择输入( 
      MUX 
      )功能;  
     
 
      
      (5)具有超量程快速检测功能的固有稳定  
      4  
      阶 
      △ 
      -∑ 
      调制器; 
     
 
     (6)灵活的片内数字滤波器:可选择 Sinc+FIR+IIR 滤波的不同组合方式, 其中 FIR 滤波方式可编程设置为线性或最小相位响应,数据输出率可在 250 SPS 至 4 KSPS 之间选择;
 
     (7)低功耗:在高精度模式下其功耗为  
     25  
     mW 
     ,在低功耗模式下的功耗为  
    
 
     
     17  
     mW 
     ,待机模式下为  
     90 
     μ 
     W 
     ,而掉电模式下仅为  
     10 
     μ 
     W 
     ;  
    
 
     
     (8)具有片上失调及增益校准引擎。 
    
 
   
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