基于FPGA和高精度ADC的組合導航系統設計

INS／GPS組合導航系統在軍事領(lǐng)域和民用方面的運動(dòng)載體中得到了廣泛應用。INS是組合導航系統中的核心部分，涉及多個(gè)陀螺儀、多個(gè)加速度計和溫度傳感器等眾多傳感器數據的采集與處理，同時(shí)對系統運算的實(shí)時(shí)性要求也很高。對于導航計算機系統的研究，許多學(xué)者做了大量有益的工作。傳感器數據采集現有方案大多采用一片多路△-∑結構的AD芯片采集6路慣性器件信號，這就造成6路信號的數據采集不能同時(shí)進(jìn)行，在高動(dòng)態(tài)下導致組合導航系統導航精度的下降。本文以TI公司生產(chǎn)的AD變換器AD1274和Altera公司生產(chǎn)的FPGA EPlS30位主選芯片，闡述了組合導航系統的實(shí)現方法。

2 數據采集

組合導航系統的傳感器包括3個(gè)低成本微機械陀螺儀(AD'ADXRS150)、3個(gè)微機械加速度計(AD'ADXL210)、壓力傳感器(Motorola'MPX4115A)、二軸磁羅盤(pán)(Honeywel'HMC1022)、一個(gè)溫度傳感器(TI'TMP275)和GPS。對于這些傳感器需同時(shí)采樣，方能滿(mǎn)足組合導航系統的要求。本系統選用TI公司生產(chǎn)的高精度模數轉換器ADS1274。ADS1274是一款高性能的24位△-∑結構的AD轉換器，有4路同步采樣輸入通道，輸出有串行和并行兩種方式，如1所示。

本系統中共采用3片AD1274，一片用于3個(gè)陀螺儀信號的數據采集；另一片用于3個(gè)加速度計的數據采集；第三片用于2個(gè)磁方位傳感器、1個(gè)壓力傳感器的數據采集，溫度傳感器的輸出信號為數字信號，不需要進(jìn)行模數變換。每一片均剩余一路AD，用于今后深入研究的冗余系統。

為了克服由于傳感器輸出信號數據采集時(shí)間上的不同步引起的導航計算偏差，除采用具有4通道同步采用的AD1274外，數據采集系統的控制采用具有并行機制的FPGA，芯片選用Altera公司的Cyclone低成本FPGA EP1C6Q240。

3 組合導航系統的設計

組合導航系統的功能包括：

數據采集 采集各種傳感器信號(陀螺儀、加速度計、磁羅盤(pán)、溫度計、氣壓高程等)；

預處理 采用數字濾波技術(shù)對采集到的傳感器信號進(jìn)行預處理；

導航計算 利用導航算法進(jìn)行數據融合處理；

輸出導航信息 將系統的位置、速度、姿態(tài)的功能信息輸出到運動(dòng)載體控制系統，進(jìn)行導航指示和運動(dòng)控制。

導航計算和導航信息輸出采用TI的OMAP5912實(shí)現。組合導航系統原理如圖2所示。

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