基于USB接口的激光陀螺慣導系統數據通訊

摘要：為了提高激光陀螺捷聯(lián)慣性導航系統在強振動(dòng)條件下的精度，需要將慣性?xún)x表在振動(dòng)環(huán)境下的輸出數據高速采集并保存下來(lái)進(jìn)行離線(xiàn)仿真。通過(guò)CY7C68013A芯片在導航計算機外圍擴展高速的USB接口，實(shí)時(shí)采集慣導系統輸出的各項性能指標數據，并將此類(lèi)數據保存至外圍PC機，實(shí)現了導航計算機和PC機之間的高速通訊。通過(guò)設立圓形緩沖區，解決了通訊過(guò)程中的丟幀問(wèn)題。經(jīng)過(guò)近千小時(shí)測試，所建采集數據裝置可準確采集導航計算機數據并實(shí)時(shí)存儲，結果表明該裝置的可靠性與穩定性，為分析慣導系統測量精度奠定了基礎。
關(guān)鍵詞：慣性導航；激光陀螺；通訊；USB接口

激光陀螺作為捷聯(lián)慣性導航系統的核心器件，其性能遠優(yōu)越于傳統的機電陀螺，已廣泛應用于海、陸、空、天等軍用和民用導航領(lǐng)域。
在激光陀螺捷聯(lián)慣導系統中，慣性?xún)x表(激光陀螺和加速度計)直接“捆綁”在載體上，所承受的力學(xué)環(huán)境要比平臺惡劣。在某些軍用環(huán)境所要求承受的強烈振動(dòng)條件下，由于慣性組合體在力和運動(dòng)的激勵下產(chǎn)生多項誤差，系統姿態(tài)和位置誤差增長(cháng)較快。研究表明，這些誤差項有一部分具有較好的補償性，可以通過(guò)誤差補償減小或消除部分誤差，從而提高系統在強振動(dòng)下的精度。這就需要將慣性?xún)x表在振動(dòng)環(huán)境下的輸出數據高速采集并保存下來(lái)，然后在PC機上進(jìn)行離線(xiàn)仿真以確定和分離各項誤差系數。由于數據量龐大，無(wú)法直接存儲在導航計算機中：例如以8 kHz對慣性?xún)x表輸出進(jìn)行采樣，每秒的數據量約為200 K字節。而原有捷聯(lián)慣導系統采用RS422接口與外部通訊，其最大波特率為1 M。不足以將高速數據傳送給PC機保存下來(lái)。因此，有必要在導航計算機外圍擴展更高速的USB接口，以實(shí)現導航計算機和PC機之間的高速通訊。USB接口(Universal Serial Bus)是一種通用的高速串行通訊接口。USB2．0理論傳輸速度可達到480 Mb／s，可以很好地解決數據在慣導系統與PC機之間的高速互傳問(wèn)題。

1 激光陀螺捷聯(lián)慣導系統的USB接口設計
1．1 USB接口芯片CY7C68013A
CY7C68013A是CYPRESS公司最新推出的USB2．O控制器，它既負責USB事務(wù)處理也兼具微處理器的控制功能，還可作為USB外部芯片的主控芯片，其小巧的體積及較高的性?xún)r(jià)比使得該芯片在各種USB設備上得到了廣泛的應用。該芯片包括帶16KB片上RAM的高速8051單片機、4KBFIFO存儲器以及通用可編程接口(GPIF)、串行接口引擎(SIE)和USB2.0收發(fā)器，6條可編程控制輸出線(xiàn)，9條地址輸出線(xiàn)和6條通用的準備輸入線(xiàn)。數據線(xiàn)寬度可設為8位也可設為16位，方便與不同的CPU接口。圖1是CY7C68013A的內部結構功能框圖。

由于CY7C68013A硬件邏輯并不復雜，加上可以充分利用FPGA的靈活性，在導航計算機外圍擴展CY7C68013A的線(xiàn)路板設計工作相對簡(jiǎn)單，將CY7C68013A的總線(xiàn)和控制信號與DSP導航計算機的FPGA相應引腳正確相連即可。
USB接口的軟件設計要復雜一些，主要是編寫(xiě)CY7C68013A自身的固件程序。