基于FPGA的慣導組合數據采集及控制系統設計

摘要：利用FPGA并行處理的特點(diǎn)及其豐富的I／O接口，在此設計了一種針對捷聯(lián)慣導系統的組合數據采集和控制系統。該系統能夠實(shí)時(shí)采集慣導系統所需的IMU和GPS數據，能夠根據需要產(chǎn)生任意占空比的PWM控制信號，該系統預留了豐富的I／O接口，方便和DSP等處理器進(jìn)行無(wú)縫連接。測試結果表明，通過(guò)這種方法設計的系統，體積小，可靠性高、實(shí)時(shí)性強。
關(guān)鍵詞：捷聯(lián)慣導系統；FPGA；IMU；GPS；PWM

0 引言
捷聯(lián)慣導系統是將慣性敏感器件陀螺儀和加速度計直接安裝在運載體上，是不需要穩定平臺的慣性導航系統。捷聯(lián)慣導系統通過(guò)計算機內的姿態(tài)矩陣實(shí)時(shí)解析計算而得到一個(gè)數學(xué)平臺，該平臺起到在慣性空間始終保持所要求姿態(tài)的作用。由于捷聯(lián)慣導的數學(xué)平臺代替了穩定平臺，這要求導航計算機必須具有很高的運算速度和精度。由于純慣導系統的速度、位置信息誤差隨時(shí)間積累，隨著(zhù)導航技術(shù)的發(fā)展，慣性測量單元(IMU)提供的數據難以完成精度較高的長(cháng)期導航任務(wù)。這就需要在長(cháng)期導航任務(wù)中引入GPS進(jìn)行輔助導航，但是GPS數據自主性差，發(fā)射的信號容易受到外部干擾，接收機數據更新頻率低，單獨使用難以滿(mǎn)足導航實(shí)時(shí)要求。通過(guò)將IMU與GPS組合構成的導航系統可以克服兩者單獨工作的缺點(diǎn)，互相取長(cháng)補短，更好地完成導航任務(wù)。IMU，GPS數據的兩者融合正是通過(guò)IMU-GPS數據采集系統實(shí)現的。
根據慣性導航系統的特點(diǎn)，設計了一種基于FPGA實(shí)現IMU-GPS數據采集及PWM控制的系統，可以實(shí)現IMU數據和GPS數據的同時(shí)采集，可以根據需要產(chǎn)生任意占空比的PWM控制信號。

1 系統總體結構
慣導和GPS組合導航系統要求既要具有高速實(shí)時(shí)的計算能力，也要具有豐富的外設接口，保證采樣速度和精度。同時(shí)，根據整個(gè)系統小型化的考慮，慣導平臺通常采用小容量PWM驅動(dòng)裝置，從而減小對加速度計、陀螺儀等慣性器件外部電磁環(huán)境的影響，保證其工作精度。FPGA具有豐富的I／O功能，還可以多個(gè)進(jìn)程并行運行，能滿(mǎn)足組合導航的要求。本文設計的捷聯(lián)慣導數據采集與處理系統就采用FPGA作為核心處理芯片實(shí)現IMU-GPS數據采集處理和PWM控制，系統硬件結構如圖1所示，系統的核心處理器FPGA選用Xilinx公司的XC3S400，它采用90 nm工藝，最大容量40萬(wàn)門(mén)，工作頻率可達200 MHz。此外，系統還包括電源管理單元，程序和數據存儲器，接口電平轉換單元等部分組成。系統采用5 V供電，選用TI公司的TPS75003作為電源管理芯片，提供3．3V，2．5V和1．2V電壓。

2 FPGA設計實(shí)現
該系統充分利用FPGA可并行運行的特點(diǎn)，利用軟件編程在單片FPGA上并行實(shí)現IMU數據、GPS信息的接收處理、存儲器和PWM控制，同時(shí)根據FPGA具有豐富的I／O接口特點(diǎn)，通過(guò)編程為DSP等微處理器的無(wú)縫接入預留接口。系統的工作流程如圖2所示。