基于FPGA的慣導(dǎo)組合數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)中，IMU數(shù)據(jù)以RS 422接口形式提供，信息速率為115 200 b／s，由幀頭、陀螺角速度信息、加速度信息、陀螺溫度信息、加速度溫度信息，時(shí)間信息和校驗(yàn)和組成。在工作過(guò)程中，F(xiàn)PGA首先檢測(cè)是否接收到IMU數(shù)據(jù)的開(kāi)始信息即幀頭，如果沒(méi)有接收到就一直進(jìn)行檢測(cè)，如果收到就接收并進(jìn)行相應(yīng)的處理和存儲(chǔ)。接收完1幀IMU數(shù)據(jù)后，F(xiàn)PGA對(duì)這些信息進(jìn)行累加校驗(yàn)，并將計(jì)算得到校驗(yàn)結(jié)果和接收到的數(shù)據(jù)校驗(yàn)信息進(jìn)行比較，如果校驗(yàn)信息一致則存儲(chǔ)該幀信息，存儲(chǔ)地址自動(dòng)加1，如不一致則丟掉該幀信息，存儲(chǔ)地址不變。信息接收完成后，產(chǎn)生接收完成標(biāo)志位。
GPS數(shù)據(jù)由衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)以RS 232接口的形式提供，能實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)載體的實(shí)時(shí)高精度三維定位、三維測(cè)速、精確定時(shí)。GPS數(shù)據(jù)的接收及處理原理和IMU數(shù)據(jù)類似，不同之處在于需要檢測(cè)信息頭和需存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不同。
IMU和GPS數(shù)據(jù)均采用乒乓存儲(chǔ)的方式進(jìn)行存儲(chǔ)，乒乓存儲(chǔ)空間以幀為單位，最小空間為2幀，此時(shí)IMU和GPS數(shù)據(jù)在2幀的存儲(chǔ)空間中交替進(jìn)行存儲(chǔ)。乒乓存儲(chǔ)空間的大小可以根據(jù)需要進(jìn)行改變，存儲(chǔ)空間的改變由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)通過(guò)串口進(jìn)行設(shè)置，更改時(shí)無(wú)需重新編寫下載軟件。
PWM控制器根據(jù)需要由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)控制，可以產(chǎn)生電機(jī)控制信號(hào)和任意占空比的PWM信號(hào)。為避免初始化不定狀態(tài)對(duì)輸出控制信號(hào)對(duì)電機(jī)的影響，由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)對(duì)PWM控制器的輸出信號(hào)狀態(tài)進(jìn)行控制。

3 仿真驗(yàn)證
慣導(dǎo)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)采用Xilinx公司的ISE軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。IMU數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生，PWM控制信號(hào)由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)通過(guò)串口提供，仿真驗(yàn)證結(jié)果如圖4所示。

在該系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA接收到IMU和GPS數(shù)據(jù)后存儲(chǔ)在指定的存儲(chǔ)空間內(nèi)，IMU數(shù)據(jù)接收完成并校驗(yàn)通過(guò)后，產(chǎn)生接收完成標(biāo)志0xAA55，GPS接收完成后產(chǎn)生0xAAAA標(biāo)志，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)通過(guò)讀取這些完成標(biāo)志來(lái)獲取IMU和GPS數(shù)據(jù)。導(dǎo)航計(jì)算機(jī)讀取完成后產(chǎn)生復(fù)位標(biāo)志，此時(shí)，IMU和GPS數(shù)據(jù)的接收標(biāo)志均復(fù)位為0x0101，仿真驗(yàn)證采用的IMU和GPS接收數(shù)據(jù)的乒乓存儲(chǔ)空間為2幀。PWM信號(hào)的占空比由導(dǎo)航計(jì)算控制，驗(yàn)證采用的占空比分別為0，15％，50％，80％和100％。

4 結(jié)語(yǔ)
本文充分利用FPGA豐富的可編程資源，設(shè)計(jì)了基于FPGA的捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，能夠同時(shí)采集1MU數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)，并能產(chǎn)生任意占空比的PWM控制信號(hào)。測(cè)試表明該系統(tǒng)能夠保證慣導(dǎo)系統(tǒng)的運(yùn)算速度和精度，且具有較豐富的外設(shè)接口，方便與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)和外部傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信接口電路的設(shè)計(jì)，對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)小型化及廣泛應(yīng)用具有實(shí)際意義。