專利名稱：一種基于雙dsp的集成化組合導(dǎo)航計算機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于雙DSP的集成化組合導(dǎo)航計算機，屬于組合導(dǎo)航領(lǐng)域，用于慣性和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)組合的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，特別適合于對體積、功耗和性能要求苛刻的慣性測量單元(IMU)/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前已有各種適用于航行載體的導(dǎo)航系統(tǒng)，它們各自都有其優(yōu)點和特色，但也有固有的不足之處。將載體上安裝的幾種導(dǎo)航系統(tǒng)組合起來(例如將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS組合)，形成組合導(dǎo)航系統(tǒng)，取長補短，綜合發(fā)揮各種導(dǎo)航系統(tǒng)特點，將能達到提高導(dǎo)航精度的目的。目前組合導(dǎo)航系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海以及許多民用領(lǐng)域，實踐證明這是一種很有效的辦法。因此，組合導(dǎo)航技術(shù)是目前導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的主要方向。
組合導(dǎo)航系統(tǒng)主要是通過組合導(dǎo)航算法來提高導(dǎo)航精度，組合導(dǎo)航算法是組合導(dǎo)航系統(tǒng)的核心。組合導(dǎo)航計算機是保證組合導(dǎo)航系統(tǒng)實時性和精度的關(guān)鍵部分，它主要完成數(shù)據(jù)采集、時間同步、組合導(dǎo)航算法和導(dǎo)航結(jié)果輸出等功能。
傳統(tǒng)的組合導(dǎo)航計算機大多為基于X86架構(gòu)的專用計算機、通用計算機平臺或工控機(PC104)等，它們體積大，功耗高，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適用于對體積、功耗要求嚴格的航空航天等應(yīng)用領(lǐng)域。而目前基于嵌入式系統(tǒng)的組合導(dǎo)航計算機的設(shè)計，一般由單片機作為主機，完成系統(tǒng)相關(guān)的控制功能；由運算處理能力強大的單一處理器(如DSP)作為從機，完成信息處理功能。該方案多用于微慣性測量單元(MIMU)和GPS的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，主機接收GPS數(shù)據(jù)，從機接收MIMU數(shù)據(jù)并進行捷聯(lián)解算和組合濾波。但這種方案一般不考慮時間同步，所以導(dǎo)航精度低。雖然有的也采用了硬件同步方式進行數(shù)據(jù)同步，但硬件同步需要附加對IMU采樣時刻進行控制的控制電路，不同的IMU所需的控制電路不同，因而采用硬件同步方式的組合導(dǎo)航計算機通用性差。因此，現(xiàn)有的基于嵌入式系統(tǒng)的組合導(dǎo)航計算機不適于數(shù)據(jù)處理量大、實時性要求非常苛刻的高精度組合導(dǎo)航領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有組合導(dǎo)航計算機的不足，提供一種體積小、功耗低、精度高、實時性好的基于雙DSP的集成化組合導(dǎo)航計算機。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種基于雙DSP的集成化組合導(dǎo)航計算機，由輸入接口模塊、DSP1模塊、DSP2模塊和輸出接口模塊組成，DSP1模塊通過輸入接口模塊接收IMU數(shù)據(jù)、IMU同步脈沖、GPS數(shù)據(jù)以及GPS秒脈沖，完成IMU數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)的預(yù)處理和時間同步，并將同步后的數(shù)據(jù)傳送到DSP2模塊。DSP2模塊接收到經(jīng)時間同步后的IMU數(shù)據(jù)，進行捷聯(lián)解算，當接收到預(yù)處理后的GPS數(shù)據(jù)時，則進行組合濾波和反饋校正。導(dǎo)航結(jié)果通過輸出接口模塊的串口1輸出。輸出接口模塊的串口2與監(jiān)控計算機相連，可實現(xiàn)對整個組合導(dǎo)航計算機的監(jiān)控。
其中，DSP1模塊采用一片TMS320F28XX定點DSP芯片作為處理器，通過軟件同步的方法實現(xiàn)IMU數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)的時間同步。DSP2模塊采用一片TMS320C67XX浮點DSP芯片作為處理器，實現(xiàn)組合導(dǎo)航算法。輸出接口模塊由兩個通用異步串口組成，其形式可為RS232、RS422或RS485。
而且，將DSP2模塊處理器的程序存放在DSP1模塊處理器片內(nèi)具有密碼保護功能的FLASH中，并且DSP2模塊處理器采用HPI啟動模式，可以實現(xiàn)組合導(dǎo)航算法的加密。
本發(fā)明的原理是如附圖2所示，組合導(dǎo)航計算機接收到IMU數(shù)據(jù)后，進行捷聯(lián)解算。當接收到GPS數(shù)據(jù)后，與捷聯(lián)解算的結(jié)果進行組合濾波，估計出導(dǎo)航參數(shù)誤差，并通過反饋校正獲得高精度的導(dǎo)航信息。
在設(shè)計組合濾波算法時，必須保證傳感器數(shù)據(jù)在組合點上是一致的。也就是說必須解決不同導(dǎo)航子系統(tǒng)之間的實時數(shù)據(jù)同步問題，這樣的組合導(dǎo)航系統(tǒng)才具有實際意義。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于本發(fā)明分別利用了定點和浮點DSP處理器構(gòu)建了雙DSP的組合導(dǎo)航計算機，與現(xiàn)有組合導(dǎo)航系統(tǒng)普遍采用的基于X86構(gòu)架的組合導(dǎo)航計算機和基于嵌入式系統(tǒng)的組合導(dǎo)航計算機相比具有以下優(yōu)點(1)較傳統(tǒng)的以基于X86構(gòu)架的組合導(dǎo)航計算機而言，本發(fā)明實現(xiàn)了雙DSP組合導(dǎo)航計算機的集成化設(shè)計，外圍電路簡單，使得本發(fā)明具有體積小、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試靈活方便等優(yōu)點。
(2)較基于嵌入式系統(tǒng)的組合導(dǎo)航計算機而言，本發(fā)明采用DSP1模塊進行數(shù)據(jù)同步，以保證數(shù)據(jù)在組合點上是一致的。同步后的數(shù)據(jù)通過并行接口輸出給DSP2模塊進行捷聯(lián)解算和組合濾波，使得本發(fā)明可應(yīng)用于處理數(shù)據(jù)量大、實時性要求苛刻的場合，且采用了軟件同步方式，通用性好。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)組成框圖；圖2為IMU/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)原理示意圖。
圖3為本發(fā)明的工作流程圖；圖4為本發(fā)明的輸入接口模塊和DSP1模塊電路框圖；圖5為本發(fā)明實現(xiàn)軟件同步的時序圖；圖6為本發(fā)明的DSP2模塊和輸出接口模塊電路框圖；圖7為本發(fā)明的輸出接口模塊電路原理圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括輸入接口模塊1、DSP1模塊2、DSP2模塊3以及輸出接口模塊4，輸入接口模塊1與DSP1模塊2相連，DSP1模塊2通過并行主機接口與DSP2模塊3的相連，DSP2模塊3與輸出接口模塊4相連。
系統(tǒng)工作流程如圖3所示，DSP1模塊2通過輸入接口模塊1接收IMU數(shù)據(jù)、IMU同步脈沖、GPS數(shù)據(jù)以及GPS秒脈沖，完成IMU數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)的預(yù)處理和時間同步，并將同步后的數(shù)據(jù)通過并行主機接口傳送到DSP2模塊3。DSP2模塊3接收到經(jīng)時間同步后的IMU數(shù)據(jù)，進行捷聯(lián)解算。當接收到預(yù)處理后的GPS數(shù)據(jù)時，則進行組合濾波和反饋校正。導(dǎo)航結(jié)果由輸出接口模塊4的串口1輸出。
本發(fā)明的輸入接口模塊和DSP1模塊的電路框圖如圖4所示，其中，輸入接口模塊1包括一個RS422接口芯片MAX1490和一個RS232接口芯片MAX232(它們分別與DSP1模塊2處理器片內(nèi)的兩個通用異步串口SCIA和SCIB相連)，以及兩個脈沖輸入接口(它們通過CPLD與DSP1模塊2處理器的外部中斷接口相連)。DSP1模塊2采用TMS320F2812作為處理器，其片內(nèi)資源豐富，帶有兩個串行通訊接口，并采用了復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)XL9572進行邏輯與時序控制。DSP1模塊2通過TMS320F2812的數(shù)據(jù)線、地址線和控制線與DSP2模塊3連接。
本發(fā)明利用GPS秒脈沖和IMU同步脈沖以及定時器在DSP1模塊2中實現(xiàn)了IMU數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)的時間同步。軟件同步時序如圖5所示，由于GPS數(shù)據(jù)有延遲，第一個秒脈沖到來后，通過查詢獲得GPS的UTC時間。當?shù)诙€秒脈沖到來時，將上一時刻的UTC時間加1，得到當前UTC時間，并啟動TMS320F2812的定時器。當IMU同步脈沖到來時，讀取定時器當前計數(shù)值，并與當前UTC時間累加，可以將IMU數(shù)據(jù)的時間同步到UTC時間，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的時間同步。
本發(fā)明的DSP2模塊3采用TMS320C6713B作為處理器，其主頻為300MHz時，運算速度可達2400MIPS，主要用來實現(xiàn)組合導(dǎo)航算法。DSP2模塊3通過TMS320C6713B的16位HPI口與DSP1模塊2連接，通過TMS320C6713B的EMIF接口與輸出接口模塊4相連。其電路框圖如附圖6所示。
本發(fā)明的輸出接口模塊4由一個一擴二的通用串口收發(fā)芯片TL16C752和相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3488、MAX3232組成，分別擴展了RS422和RS232兩個通用異步串口。其電路原理圖如附圖7所示。
本發(fā)明可以實現(xiàn)組合導(dǎo)航算法的加密。具體方法為將TMS320C6713B中的組合導(dǎo)航程序存放在TMS320F2812片內(nèi)具有密碼保護功能的FLASH中，并且TMS320C6713B采用HPI啟動模式。系統(tǒng)上電啟動時，由TMS320F2812通過HPI口將存儲在其片內(nèi)FLASH中的程序下載到TMS320C6713B內(nèi)部RAM，然后開始執(zhí)行。
本發(fā)明可以作為一種適用于慣性/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的通用組合導(dǎo)航計算機，提供了足夠的硬件資源。應(yīng)用者可以根據(jù)其特殊的應(yīng)用領(lǐng)域通過修改軟件來靈活方便地實現(xiàn)其功能。
權(quán)利要求
1.一種基于雙DSP的集成化組合導(dǎo)航計算機，其特征在于由輸入接口模塊(1)、DSP1模塊(2)、DSP2模塊(3)和輸出接口模塊(4)組成，其中DSP1模塊(2)通過輸入接口模塊(1)接收IMU數(shù)據(jù)、IMU同步脈沖、GPS數(shù)據(jù)以及GPS秒脈沖，完成IMU數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)的預(yù)處理和時間同步，并將同步后的數(shù)據(jù)傳送到DSP2模塊(3)，DSP2模塊(3)接收到經(jīng)時間同步后的IMU數(shù)據(jù)，進行捷聯(lián)解算，當接收到預(yù)處理后的GPS數(shù)據(jù)時，則進行組合濾波和反饋校正；導(dǎo)航結(jié)果通過輸出接口模塊(4)的串口1輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙DSP的集成化組合導(dǎo)航計算機，其特征在于所述的輸出接口模塊(4)的串口2與監(jiān)控計算機相連，實現(xiàn)對整個組合導(dǎo)航計算機的監(jiān)控。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙DSP的集成化組合導(dǎo)航計算機，其特征在于所述的DSP1模塊(2)采用一片TMS320F28XX定點DSP芯片作為處理器，通過軟件同步的方法實現(xiàn)IMU數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)的時間同步。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙DSP的集成化組合導(dǎo)航計算機，其特征在于所述的DSP2模塊(3)采用一片TMS320C67XX浮點DSP芯片作為處理器，實現(xiàn)組合導(dǎo)航算法。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙DSP的集成化組合導(dǎo)航計算機，其特征在于所述的輸出接口模塊(4)由兩個通用異步串口組成，其形式可為RS232、RS422或RS485。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙DSP的集成化組合導(dǎo)航計算機，其特征在于將所述的DSP2模塊(3)處理器的程序存放在DSP1模塊(2)處理器片內(nèi)具有密碼保護功能的FLASH中，并且DSP2模塊(3)處理器采用HPI啟動模式，可以實現(xiàn)組合導(dǎo)航算法的加密。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于雙DSP的集成化組合導(dǎo)航計算機，其特征在于所述的時間同步方法為由于GPS數(shù)據(jù)有延遲，第一個秒脈沖到來后，通過查詢獲得GPS的UTC時間；當?shù)诙€秒脈沖到來時，將上一時刻的UTC時間加1，得到當前UTC時間，并啟動DSP1模塊(2)的定時器，當IMU同步脈沖到來時，讀取定時器當前計數(shù)值，并與當前UTC時間累加，將IMU數(shù)據(jù)的時間同步到UTC時間，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的時間同步。
全文摘要
一種基于雙DSP的集成化組合導(dǎo)航計算機，用于慣性測量單元(1MU)和GPS組合的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，主要包括輸入接口模塊、DSP1模塊、DSP2模塊以及輸出接口模塊。本發(fā)明采用DSP1模塊實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的預(yù)處理和時間同步，以保證數(shù)據(jù)在組合點上的精確同步；采用DSP2模塊實現(xiàn)捷聯(lián)解算和組合濾波。兩DSP模塊通過并行主機接口進行通訊，傳輸速度快，且傳輸過程不中斷DSP2模塊的運算，從而保證了系統(tǒng)實時性和導(dǎo)航解算精度。本發(fā)明實現(xiàn)了雙DSP組合導(dǎo)航計算機的集成設(shè)計，減小了組合導(dǎo)航計算機的功耗、體積和重量，使得組合導(dǎo)航系統(tǒng)的性能大大提高。
文檔編號G01S1/02GK1945211SQ20061011398
公開日2007年4月11日 申請日期2006年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月24日
發(fā)明者房建成, 楊勝, 劉百奇, 張鈺, 全偉, 徐帆 申請人:北京航空航天大學(xué)