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

0 引言
    捷聯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(wěn)定平臺的慣性導航系統。捷聯慣導系統通過計算機內的姿態(tài)矩陣實時解析計算而得到一個數學平臺，該平臺起到在慣性空間始終保持所要求姿態(tài)的作用。由于捷聯慣導的數學平臺代替了穩(wěn)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、位置信息誤差隨時間積累，隨著導航技術的發(fā)展，慣性測量單元(IMU)提供的數據難以完成精度較高的長期導航任務。這就需要在長期導航任務中引入GPS進行輔助導航，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，單獨使用難以滿足導航實時要求。通過將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，互相取長補短，更好地完成導航任務。IMU，GPS數據的兩者融合正是通過IMU-GPS數據采集系統實現的。
    根據慣性導航系統的特點，設計了一種基于FPGA實現IMU-GPS數據采集及PWM控制的系統，可以實現IMU數據和GPS數據的同時采集，可以根據需要產生任意占空比的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時的計算能力，也要具有豐富的外設接口，保證采樣速度和精度。同時，根據整個系統小型化的考慮，慣導平臺通常采用小容量PWM驅動裝置，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，還可以多個進程并行運行，能滿足組合導航的要求。本文設計的捷聯慣導數據采集與處理系統就采用FPGA作為核心處理芯片實現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40萬門，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設計實現
    該系統充分利用FPGA可并行運行的特點，利用軟件編程在單片FPGA上并行實現IMU數據、GPS信息的接收處理、存儲器和PWM控制，同時根據FPGA具有豐富的I／O接口特點，通過編程為DSP等微處理器的無縫接入預留接口。系統的工作流程如圖2所示。
    在系統設計中FPGA采用Xilinx公司的ISE軟件進行編程，FPGA主要完成IMU，GPS數據的接收處理，PWM控制等功能。在系統中IMU，GPS數據通過電平轉換電路連接至FPGA，FPGA通過不間斷地檢測IMU和GPS的數據頭信息進行接收并進行相應處理，IMU，GPS數據接收的RTL實現圖如圖3所示。

    在系統中，IMU數據以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，時間信息和校驗和組成。在工作過程中，FPGA首先檢測是否接收到IMU數據的開始信息即幀頭，如果沒有接收到就一直進行檢測，如果收到就接收并進行相應的處理和存儲。接收完1幀IMU數據后，FPGA對這些信息進行累加校驗，并將計算得到校驗結果和接收到的數據校驗信息進行比較，如果校驗信息一致則存儲該幀信息，存儲地址自動加1，如不一致則丟掉該幀信息，存儲地址不變。信息接收完成后，產生接收完成標志位。
    GPS數據由衛(wèi)星導航接收機以RS 232接口的形式提供，能實現機動載體的實時高精度三維定位、三維測速、精確定時。GPS數據的接收及處理原理和IMU數據類似，不同之處在于需要檢測信息頭和需存儲的數據長度不同。
    IMU和GPS數據均采用乒乓存儲的方式進行存儲，乒乓存儲空間以幀為單位，最小空間為2幀，此時IMU和GPS數據在2幀的存儲空間中交替進行存儲。乒乓存儲空間的大小可以根據需要進行改變，存儲空間的改變由導航計算機通過串口進行設置，更改時無需重新編寫下載軟件。
    PWM控制器根據需要由導航計算機控制，可以產生電機控制信號和任意占空比的PWM信號。為避免初始化不定狀態(tài)對輸出控制信號對電機的影響，由導航計算機對PWM控制器的輸出信號狀態(tài)進行控制。

3 仿真驗證
    慣導數據采集與控制系統采用Xilinx公司的ISE軟件進行設計和驗證。IMU數據和GPS數據通過計算機模擬產生，PWM控制信號由導航計算機通過串口提供，仿真驗證結果如圖4所示。

    在該系統中，FPGA接收到IMU和GPS數據后存儲在指定的存儲空間內，IMU數據接收完成并校驗通過后，產生接收完成標志0xAA55，GPS接收完成后產生0xAAAA標志，導航計算機通過讀取這些完成標志來獲取IMU和GPS數據。導航計算機讀取完成后產生復位標志，此時，IMU和GPS數據的接收標志均復位為0x0101，仿真驗證采用的IMU和GPS接收數據的乒乓存儲空間為2幀。PWM信號的占空比由導航計算控制，驗證采用的占空比分別為0，15％，50％，80％和100％。

4 結語
    本文充分利用FPGA豐富的可編程資源，設計了基于FPGA的捷聯慣導數據采集和控制系統，能夠同時采集1MU數據和GPS數據，并能產生任意占空比的PWM控制信號。測試表明該系統能夠保證慣導系統的運算速度和精度，且具有較豐富的外設接口，方便與導航計算機和外部傳感器進行數據通信接口電路的設計，對慣導系統小型化及廣泛應用具有實際意義。