CN102736591A - 一种分布式pos子imu数据同步采集系统 - Google Patents

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修展
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Abstract

一种分布式POS子IMU数据同步采集系统包括：基于FPGA的同步控制与数据接收模块、高速异步串行总线以及基于ARM的数据采集与处理模块。基于FPGA的同步控制与数据接收模块实现分布式POS系统时间同步的控制，并实时接收多个子IMU的数据。高速异步串行总线实现主POS和不同测量节点子IMU的通信。基于ARM的数据采集与处理模块实现光纤陀螺信号、加速度计信号以及陀螺和加速度计温度信号的并行采集与实时处理。本发明实现了分布式POS多个子IMU的实时数据采集，减小了子IMU的体积和功耗，满足子系统小型化的需求，同时实现了分布式POS系统的时间同步。

Description

一种分布式POS子IMU数据同步采集系统
技术领域
本发明涉及一种分布式POS子IMU数据同步采集系统，属于惯性技术领域，主要应用于分布式POS子系统的数据采集。
背景技术
航空遥感实现高精度成像要求飞机做匀速直线运动，但是飞机受气流扰动、飞控系统误差等因素影响，必然偏离理想的匀速直线运动，形成运动误差，导致遥感成像分辨率和精度严重下降，必须进行高精度运动补偿。位置姿态测量系统（Position and Orientation System，POS）是一种特殊的惯性/卫星组合测量系统，可精确测量遥感载荷中心的位置、速度和姿态等运动参数，是高分辨率航空遥感系统实现运动补偿的关键设备。
随着飞行平台技术的革新，航空遥感向多遥感载荷及阵列载荷方向发展。但是，由于多个观测载荷分布在非刚性平台的不同位置，存在挠曲变形、振动等因素，传统的单一POS无法实现多点的高精度测量。此时，每个载荷都需要使用POS提供运动参数进行补偿，形成一个多测量节点的分布式POS系统。但是，简单的在每个载荷上安装一个POS，会带来系统体积、质量和成本的急剧增加。因此，分布式POS系统设计由一个高精度的主POS系统和分布在不同测量节点的多个小型惯性测量单元（Inertia Measurement Unit，IMU）共同构成，其中，小型子IMU完成不同测量节点运动信息的测量，并传输给主POS系统实现数据融合，最终在主POS中得到不同测量节点的高精度位置、速度和姿态信息，实现多个观测载荷的运动补偿。但是，主POS系统与不同测量节点的子IMU之间属于独立的系统，存在不同的时间基准，无法有效实现分布式POS系统的数据融合。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种分布式POS子IMU数据同步采集系统，从而满足分布式POS子IMU小型化的需求，实现分布式POS系统的时间同步。
本发明的技术解决方案是：本发明包括基于FPGA的同步控制与数据接收模块、高速异步串行总线和基于ARM的数据采集与处理模块；基于FPGA的同步控制与数据接收模块属于主POS系统，模块产生同步脉冲信号送入高速异步串行总线，用于分布式POS不同测量节点子IMU的时间同步；同时接收通过高速异步串行总线传送的不同测量节点子IMU的导航数据，将数据并行送入分布式POS信息处理计算机进行数据融合运算；基于ARM的数据采集与处理模块属于子IMU系统，接收通过高速异步串行总线传送的同步脉冲信号，在同步脉冲信号的同步作用下并行采集三轴一体光纤陀螺信号、三路加速度计信号以及陀螺和加速度计温度信号，并对采集的数据进行数字低通滤波、温度误差补偿和加和平滑，通过高速异步串行总线传送给主POS系统实现数据的信息融合。
基于FPGA的同步控制与数据接收模块内部设置一个定时器，当存在GPS秒脉冲信号时，基于FPGA的同步控制与数据接收模块接收该秒脉冲信号，根据秒脉冲修正定时器误差，保证定时精度，同时利用秒脉冲产生同步脉冲信号，通过高速异步串行总线传送到子IMU，重置基于ARM的数据采集与处理模块内部的定时器，实现不同测量节点子IMU的时间同步；当不存在GPS秒脉冲信号时，FPGA利用内部定时器的定时功能，在整秒时刻产生同步脉冲信号，通过高速异步串行总线传送到子IMU，重置基于ARM的数据采集与处理模块内部的定时器，实现不同测量节点子IMU的时间同步。
高速异步串行总线采用RS-422总线实现主POS系统和位于不同测量节点的子IMU之间的通信。
基于ARM的数据采集与处理模块通过核心处理器ARM完成三轴一体光纤陀螺信号、三路加速度计信号以及陀螺和加速度计温度信号的采集与数据处理，包括数据采集模块和数据处理模块；数据采集模块将三轴一体光纤陀螺信号、三路加速度计信号以及陀螺和加速度计温度信号调理成ARM能够处理的数字信号送入数据处理模块；数据处理模块通过接收同步脉冲信号同步采集时钟，实时读取三轴一体光纤陀螺、三路加速度计以及陀螺和加速度计温度数据，存入相应的数据队列，然后对光纤陀螺数据及三路加速度计数据进行数字低通滤波；利用陀螺温度数据和加速度计温度数据分别对陀螺数据和加速度计数据进行查找表式温度补偿；将经过低通滤波和温度误差补偿的陀螺数据和加速度计数据进行加和平滑，利用高速异步串行总线将数据发送主POS系统接收数据，实现多个子IMU数据的信息融合。
本发明的原理是：分布式POS子IMU数据采集系统利用主POS系统产生的同步脉冲信号实现不同测量节点子IMU的时间同步，保证由子IMU采集、高速异步串行总线传送到主POS系统的数据能够进行有效的信息融合，从而实现分布式POS对不同测量节点的高精度测量。主POS系统内的基于FPGA的同步控制与数据接收模块内部设置一个定时器，在GPS秒脉冲信号产生时，接收该信号，利用秒脉冲修正晶振漂移造成的定时器误差，同时利用秒脉冲产生同步脉冲信号转换为RS-422信号直接传送到高速异步串行总线上，用于不同测量节点子IMU的时间同步；当GPS秒脉冲信号无法产生时，根据内部定时器的定时值，FPGA在整秒时刻产生同步脉冲信号，转换为RS-422信号送入高速异步串行总线，用于不同测量节点子IMU的时间同步。同步脉冲信号通过高速异步串行总线传送到不同测量节点的子IMU处，由基于ARM的数据采集与处理模块采集，重置模块内部定时器，同步采集时钟；然后基于ARM的数据采集与处理模块实时读取光纤陀螺、加速度计和温度数据，送入数据队列缓存；读取完成后，从数据队列取得光纤陀螺和加速度计数据，进行数字低通滤波、温度误差补偿和加和平滑，将得到的数据通过高速异步串行总线发送给主POS系统。然后基于FPGA的同步控制与数据接收模块接收子IMU数据，通过FPGA并行发送到分布式POS信息处理计算机进行信息融合，得到不同测量节点的高精度位置、速度和姿态信息。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明采用了FPGA完成分布式POS不同测量节点子IMU时间同步的控制，实现了分布式POS不同测量节点数据的有效融合，保证了分布式POS对多测量节点位置、速度和姿态信息的高精度测量。
附图说明
图1为本发明的系统组成框图；
图2为本发明的基于FPGA的同步控制与数据接收模块的实现框图；
图3为本发明的基于ARM的数据采集与处理模块组成框图；
图4为本发明的加速度计信号调理电路图；
图5为本发明的加速度计模数转换电路图；
图6为本发明的ARM最小系统电路图；
图7为本发明的基于ARM的数据采集与处理模块软件流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括基于FPGA的同步控制与数据接收模块1、高速异步串行总线2和基于ARM的数据采集与处理模块3；基于FPGA的同步控制与数据接收模块1属于主POS系统，产生同步脉冲信号通过高速异步串行总线2送入子IMU，用于分布式POS不同测量节点子IMU的时间同步；同时接收通过高速异步串行总线2传送的不同测量节点子IMU的导航数据，将数据并行送入分布式POS信息处理计算机4进行数据融合运算；基于ARM的数据采集与处理模块3属于子IMU系统，接收通过高速异步串行总线2传送的同步脉冲信号，在同步脉冲的同步作用下并行采集三轴一体光纤陀螺信号、三路加速度计信号以及陀螺和加速度计温度信号的，并对采集的数据进行数字低通滤波、温度误差补偿和加和平滑，通过高速异步串行总线2传送给主POS系统实现数据的信息融合。
基于FPGA的同步控制与数据接收模块1实现分布式POS时间同步的控制和子IMU数据的接收，如图2所示。基于FPGA的同步控制与数据接收模块1内部设置一个定时器，当GPS接收机能够良好的接收卫星信号，产生秒脉冲信号时，基于FPGA的同步控制与数据接收模块1接收该秒脉冲信号，利用秒脉冲修正晶振漂移造成的误差，同时利用秒脉冲产生同步脉冲信号转换为RS-422信号直接通过高速异步串行总线2传送到子IMU，重置基于ARM的数据采集与处理模块3的定时器，实现不同测量节点子IMU的时间同步；当GPS接收机无法接收到卫星信号，不能产生秒脉冲时，使用FPGA内部定时器在整秒时刻产生同步脉冲信号，转换为RS-422信号通过高速异步串行总线2传送到子IMU，重置基于ARM的数据采集与处理模块3的定时器，实现不同测量节点子IMU的时间同步。当子IMU采集的数据通过高速异步串行总线2传送到主POS系统时，基于FPGA的同步控制控制与数据接收模块1将其转换为TTL电平数字信号，并行发送到分布式POS信息处理计算机4进行数据的信息融合，得到不同测量节点的高精度位置、速度和姿态信息。
基于ARM的数据采集与处理模块3属于子IMU系统，如图3所示，包括数据采集模块31和数据处理模块32；数据采集模块31包括RS-422通信接口311、加速度计信号调理与模数转换电路312、温度信号调理与模数转换电路313、光耦隔离电路314；数据处理模块32包括ARM最小系统321和RS-422通信接口322；光纤陀螺输出RS-422数字信号，通过RS-422通信接口311转换成TTL信号，经过光耦隔离电路314发送给ARM最小系统321；三路加速度计电流信号通过加速度计信号调理和模数转换电路312转换为数字信号，经过光耦隔离电路314发送给ARM最小系统321；陀螺温度信号和加速度计温度信号通过温度信号调理和模数转换电路313转换为数字信号，经过光耦隔离电路314发送给ARM最小系统321；ARM最小系统321实现多路信号的并行采集和实时处理，通过接收主POS发送的同步脉冲同步采集时钟，利用串口模块读取光纤陀螺数据、利用SPI模块读取加速度计和温度数据存入相应的数据队列，并对数据进行处理，包括对光纤陀螺数据及三路加速度计数据进行低通数字滤波；利用陀螺温度数据和加速度计温度数据分别对陀螺数据和加速度计数据进行查找表式温度补偿；将经过低通滤波和温度误差补偿的陀螺数据和加速度计数据进行加和平滑，利用RS-422通信接口322将数据发送给主POS进行数据的融合。
光纤陀螺输出RS-422标准的数字信号，利用电平转换芯片MAX3488转换为TTL信号，经过光耦隔离电路，通过高速串行接口发送给ARM最小系统进行数据处理。
三路加速度计输出电流信号，经过信号调理电路和模数转换电路，将模拟信号转换为相应的数字信号，信号调理电路和模数转换电路分别如图4和图5所示。具体实现过程为，加速度计输出电流通过精密电阻转换为电压，经过OPA4350组成的电压跟随电路，实现信号隔离和阻抗变换，利用差分放大器OPA1632，将单端信号转换为差分信号，并将电压放大到转换芯片适合的范围，经过电容和电阻组成的抗混叠滤波器，信号以差分形式送入24位∑-Δ型模数转换芯片ADS1256，将模拟信号转换成SPI协议数字信号。然后，经过光耦隔离电路，通过SPI通信接口发送给ARM最小系统进行数据处理。
温度信号包括三轴一体光纤陀螺的温度信号和三路加速度计的温度信号。温度信号采集采用温度传感器AD590，利用AD590的输出电流大小随温度变化的原理，输出电流通过精密电阻转换为电压，然后将电压信号送给运算放大器OPA4350实现信号隔离、放大和阻抗变换，经过由电容和电阻组成的抗混叠滤波器，送入24位∑-Δ型模数转换芯片ADS1256进行模数转换，经过光耦隔离电路，通过SPI通信接口发送给ARM最小系统进行数据处理。
光耦隔离电路314，利用光电耦合器输入与输出的电气隔离原理，通过光电耦合芯片HCPL-063L和HCPL-0630将三轴一体光纤陀螺、三路加速度计、温度信号和模拟电路与后端ARM最小系统进行电气隔离，减小各个部件间的相互干扰。
ARM最小系统电路321如图6所示，ARM芯片选用LPC3250，内部集成一个浮点协处理器，可以提高数据处理过程中浮点运算的效率；拥有丰富的接口，可以同时完成光纤陀螺、加速度计、温度等多路信号的数据读取；ARM软件采用嵌入式实时操作系统μCOS-Ⅱ，利用多任务编程思想，提高数据采集和处理的并发性与实时性；应用程序采用模块化编程，降低了各部分之间的耦合和相互影响；ARM软件采用数据队列的方式缓存采集到的数据，防止因数据处理过程中有新数据到达而导致的数据丢失。ARM中实现传感器信号采集的软件流程如图7所示，系统上电后首先完成初始化工作；然后ARM最小系统检测是否有同步脉冲到达，当有同步脉冲时，利用该同步脉冲重置采集时钟，然后利用ARM的串口模块和SPI模块并行的完成对光纤陀螺、加速度计和温度数据的读取，将读取到的数据送入数据队列缓存；当没有同步脉冲到达时，直接利用ARM的串口模块和SPI模块并行的完成对光纤陀螺、加速度计和温度数据的读取，并将读取到的数据送入数据队列缓存；数据读取完成后，从数据队列中取出数据进行处理，包括对光纤陀螺、加速度计数据进行数字低通滤波，滤除传感器和采集系统引入的高频噪声，保留有用的角速度和加速度信息；然后对数据进行-40℃～+60℃全温温度标定，建立系统温度模型，将模型置于ARM程序当中作为查找表，然后利用光纤陀螺温度数据和加速度计温度数据分别对陀螺数据和加速度计数据进行实时查找表式温度补偿；最后，将经过滤波和温度补偿的陀螺数据和加速度计数据进行加和平滑，得到100Hz数据，发送到主POS系统进行数据的信息融合，得到不同测量节点的高精度位置、速度和姿态信息。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种分布式POS子IMU数据同步采集系统，其特征在于：包括基于FPGA的同步控制与数据接收模块（1）、高速异步串行总线（2）和基于ARM的数据采集与处理模块（3）；基于FPGA的同步控制与数据接收模块（1）属于主POS系统，并产生同步脉冲信号送入高速异步串行总线（2），用于分布式POS不同测量节点子IMU的时间同步；同时接收通过高速异步串行总线（2）传送的不同测量节点子IMU的导航数据，将数据并行送入分布式POS信息处理计算机（4）进行数据融合运算；基于ARM的数据采集与处理模块（3）属于子IMU系统，接收通过高速异步串行总线（2）传送的同步脉冲信号，在同步脉冲的同步作用下并行采集三轴一体光纤陀螺信号、三路加速度计信号以及陀螺和加速度计温度信号，并对采集的数据进行数字低通滤波、温度误差补偿和加和平滑，通过高速异步串行总线（2）传送给主POS系统，实现数据的信息融合。
2.根据权利要求1所述的一种分布式POS子IMU数据同步采集系统，其特征在于：所述的基于FPGA的同步控制与数据接收模块（1）内部设置一个定时器，当存在GPS秒脉冲信号时，基于FPGA的同步控制与数据接收模块（1）接收该秒脉冲信号，利用秒脉冲修正晶振漂移造成的定时器误差，保证定时精度，同时利用秒脉冲产生同步脉冲信号，通过高速异步串行总线（2）传送到子IMU，重置基于ARM的数据采集与处理模块（3）内部的定时器，实现不同测量节点子IMU的时间同步；当不存在GPS秒脉冲信号时，FPGA利用内部定时器的定时功能，在整秒时刻产生同步脉冲信号，通过高速异步串行总线（2）传送到子IMU，重置基于ARM的数据采集与处理模块（3）内部的定时器，实现不同测量节点子IMU的时间同步。
3.根据权利要求1所述的一种分布式POS子IMU数据同步采集系统，其特征在于：所述的高速异步串行总线（2）采用RS-422总线实现主POS系统和位于不同测量节点的子IMU之间的通信。
4.根据权利要求1所述的一种分布式POS子IMU数据同步采集系统，其特征在于：所述的基于ARM的数据采集与处理模块（3）通过核心处理器ARM包括数据采集模块（31）和数据处理模块（32）；其中数据采集模块（31）将三轴一体光纤陀螺信号、三路加速度计信号以及陀螺和加速度计温度信号调理成ARM能够处理的数字信号送入数据处理模块（32）；数据处理模块（32）通过接收同步脉冲信号同步采集时钟，实时读取三轴一体光纤陀螺、三路加速度计以及陀螺和加速度计温度数据，存入相应的数据队列，然后对光纤陀螺数据及三路加速度计数据进行数字低通滤波；利用陀螺温度数据和加速度计温度数据分别对陀螺数据和加速度计数据进行查找表式温度补偿；将经过低通滤波和温度误差补偿的陀螺数据和加速度计数据进行加和平滑，通过高速异步串行总线（2）将数据发送主POS系统，实现多个子IMU数据的信息融合。
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