CN102980582A - 基于双arm单片机的平台式惯导设备通用计算机 - Google Patents
基于双arm单片机的平台式惯导设备通用计算机 Download PDFInfo
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Abstract
基于双ARM单片机的平台式惯导设备通用计算机，包括AD采集板和计算机底板，AD采集板和计算机底板分别安装有第一ARM处理器和第二ARM处理器；AD采集板和计算机底板分开，在提高了数据处理速度的同时，更方便发现问题，方便更换维修；选用工业级的ARM芯片，在-40℃~+85℃环境下工作；ARM单片机内部集成的功能丰富，所需的外围电路简单，使得以此构成的导航计算机电路简单，体积小且成本低，可靠性高，适应恶劣环境的能力大大增强，同时仅需要更改软件即可适应单轴、双轴或三轴平台式惯性导航设备，具有良好的通用性。
Description
技术领域
本发明涉及惯性导航计算机系统，尤其是一种用于平台式惯性导航系统的基于双ARM单片机的平台式惯导设备通用计算机。
背景技术
现有的平台式导航系统主要使用PC104计算机和单片机组成的上-下位机形式实现。单片机完成数据采集任务，并通过串口、并口或PC104总线等方式将数据发送给PC104，PC104根据导航误差补偿模型，根据下位机采集的数据计算补偿量，通过D/A实现补偿。
基于PC104计算机的平台式导航系统，其体积大，功耗大，成本较高，环境适应性特别是低温性能较差，难于满足陆用车辆苛刻的要求；
基于DSP的系统对电源要求高，易损坏，开发及生产成本较高；
其它单片机例如8051、AVR等构成的系统运算能力不足，不能很好的实现多传感器的数据采集和导航解算双重任务，外设少，不便于使用嵌入式实时操作系统，难以满足实时性要求。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种体积小、成本低、环境适应性好，运算能力强且实时性好的基于双ARM单片机的平台式惯导设备通用计算机。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
基于双ARM单片机的平台式惯导设备通用计算机，其特征在于，包括AD采集板和计算机底板，所述AD采集板和计算机底板分别安装有第一ARM处理器和第二ARM处理器；
所述AD采集板上还设置有三路6通道A/D转换器、三组调理电路、旋转变压器激磁输入模块和过零比较器，其中第一组调理电路的输出端通过第一6通道A/D转换器与所述第一ARM处理器连接，第二组调理电路的输出端通过第二6通道A/D转换器与所述第一ARM处理器连接，第三组调理电路的输出端通过第三6通道A/D转换器与所述第一ARM处理器连接，所述旋转变压器激磁输入模块的输出端与所述过零比较器的输入端连接，该过零比较器的输出端与所述第一ARM处理器的输入端连接；
所述计算机底板上包括导航控制模块、D/A补偿模块、通讯模块和端口控制模块，所述导航控制模块由第二ARM处理器及其外围电路组成，该第二ARM处理器与所述第一ARM处理器通过RS232串口通信，所述第二ARM处理器还分别与所述D/A补偿模块、通讯模块和端口控制模块连接。
所述第一组调理电路包括第一路旋转变压器输出信号调理电路、第一路加计信号调理电路和第一路陀螺信号调理电路；
所述第二组调理电路包括第二路旋转变压器输出信号调理电路、第二路加计信号调理电路和第二路陀螺信号调理电路；
所述第三组调理电路包括第三路旋转变压器输出信号调理电路、第三路加计信号调理电路和第三路陀螺信号调理电路。
所述D/A补偿模块包括4通道D/A转换器、方位误差补偿模块、横滚误差补偿模块和俯仰误差补偿模块，所述4通道D/A转换器与所述第二ARM处理器的SPI接口连接，该4通道D/A转换器的输出端分别与所述方位误差补偿模块、横滚误差补偿模块和俯仰误差补偿模块的输入端连接；
所述通讯模块包括通讯接口电路，所述第二ARM处理器通过该通讯接口电路与上位机、调试机双向通信；
所述端口控制模块设置有端口缓冲电路、水平陀螺回路控制模块、方位陀螺回路控制模块和端口检测电路，所述端口缓冲电路与所述第二ARM处理器双向连接，所述端口缓冲电路的输出端分别与所述水平陀螺回路控制模块和方位陀螺回路控制模块的输入端连接，所述端口检测电路的输出端与所述端口缓冲电路的输入端连接。
本发明的积极效果是：
基于双ARM单片机的平台式惯导设备通用计算机中的导航控制模块和数据采集模块都采用ARM单片机，选用工业级的ARM芯片，能够在-40℃~+85℃环境下工作；ARM单片机内部集成的功能丰富，所需的外围电路简单，使得以此构成的导航计算机电路简单，体积小且成本低，可靠性高，适应恶劣环境的能力大大增强，同时仅需要更改软件即可适应单轴、双轴或三轴平台式惯性导航设备，具有良好的通用性。
ARM单片机具有50MHz的运行频率，内部集成SRAM存储器，集成了RS232串口、CAN通讯接口及GPIO端口，使得外围电路设计大大简化，从而降低了成本，减小了体积。
ARM单片机还具有低功耗的特点，节约能源。
AD采集板和计算机底板分开，在提高了数据处理速度的同时，更方便发现问题，方便更换维修。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2数据采集模块的外围电路图；
图3导航控制模块的外围电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，基于双ARM单片机的平台式惯导设备通用计算机，包括分开安装的AD采集板和计算机底板，所述AD采集板和计算机底板分别安装有第一ARM处理器和第二ARM处理器。
ARM单片机选用工业级的ARM处理器，能够在-40℃～+85℃环境下工作；ARM单片机内部集成的功能丰富，所需的外围电路简单，使得以此构成的导航计算机电路简单，体积小且成本低，可靠性高，适应恶劣环境的能力大大增强，同时仅需要更改软件即可适应单轴、双轴或三轴平台式惯性导航设备，具有良好的通用性。该ARM单片机具有50MHz的运行频率，内部集成SRAM存储器，集成了RS232串口、CAN通讯接口及GPIO端口，使得外围电路设计大大简化，从而降低了成本，减小了体积。ARM单片机还具有低功耗的特点，节约能源。
如图1所示，计算机底板包括导航控制模块、D/A补偿模块、通讯模块和端口控制模块，导航控制模块由第二ARM处理器及其外围电路组成，图3所示。该第二ARM处理器与所述第一ARM处理器通过RS232串口通信，所述第二ARM处理器还分别与所述D/A补偿模块、通讯模块和端口控制模块连接。
如图2所示，所述AD采集板上还安装有三路6通道A/D转换器、三组调理电路、旋转变压器激磁输入模块和过零比较器；
所述三路6通道A/D转换器、三组调理电路、旋转变压器激磁输入模块和过零比较器和第一ARM单片机共同构成数据采集模块。
三组调理电路中第一组调理电路的第一路旋转变压器输出信号调理电路、第一路加计信号调理电路和第一路陀螺信号调理电路通过第一6通道A/D转换器与所述第一ARM处理器连接，第二组调理电路的第二路旋转变压器输出信号调理电路、第二路加计信号调理电路和第二路陀螺信号调理电路通过第二6通道A/D转换器与所述第一ARM处理器连接，第三组调理电路的第三路旋转变压器输出信号调理电路、第三路加计信号调理电路和第三路陀螺信号调理电路通过第三6通道A/D转换器与所述第一ARM处理器连接，所述旋转变压器激磁输入模块的输出端与所述过零比较器的输入端连接，该过零比较器的输出端与所述第一ARM处理器的输入端连接。
单轴、双轴及三轴平台式惯导设备具有1～3只双通道旋转变压器，2～3只加速度计，每只旋转变压器占用4路A/D通道；每只加计占用1路A/D通道，因此使用三只6通道A/D转换器，剩余A/D通道完成陀螺信号采集。所述数据采集模块以第一ARM处理器为核心，第一ARM处理器为一片型号为LM3S8962的处理器，使用3片独立6通道A/D转换器（型号为AD7656）实现A/D转换。
第一ARM处理器通过GPIO端口（通用输入/输出接口）连接6通道A/D转换器的数据线、控制线。旋转变压器激磁信号通过过零比较器整形为方波信号后触发所述数据采集模块的第一ARM单片机GPIO端口中断，实现一次数据采集。所述数据采集模块通过第一ARM单片机数据接口和所述导航控制模块通讯，发送采集的旋转变压器角度信号、加计信号及陀螺信号。由于平台式惯导设备对采集的数据实时性需求是不一样的，因此数据采集模块使用两种数据帧发送数据，旋转变压器信号及加计信号发送频率为400Hz，陀螺信号发送频率为10Hz，这样可以减少数据帧长度，降低一次数据发送的时间和所述导航控制模块接收时间，提高设备实时性。
第二ARM处理器同样为一片型号为LM3S8962的处理器，以型号为CAT1024的存储芯片作为EEPROM存储器,用于储存导航参数，使用LM3S8962的I2C接口实现EEPROM存取，使用6MHz晶振作为主时钟，通过PLL倍频器使处理器运行于50MHz，使用25MHz晶振作为以太网时钟；型号为LM3S8962的ARM处理器集成128Kb的Flash、64Kb的RAM,片内集成1个SPI接口、1路I2C接口、2个UART接口（通用异步接收/发送接口，包括UART0接口和UART1接口）、1路CAN接口，42个GPIO端口。
第二ARM处理器的UART0接口与数据采集模块的第一ARM单片机通信，完成模拟信号采集；第二ARM处理器的UART1接口用于与调试计算机（调试机）通信；第二ARM处理器的SPI接口用于通过4通道D/A转换器实现方位误差补偿、横滚误差补偿和俯仰误差补偿，从而实现惯导设备的速纬误差补偿。第二ARM处理器的I2C总线控制一片EEPROM存储器，用于保存惯导系统陀螺漂移、加速度计系数等参数；第二ARM处理器还分别连接有1路OSC时钟电路（震荡时钟电路）和1路复位电路。
D/A补偿模块包括4通道D/A转换器、方位误差补偿模块、横滚误差补偿模块和俯仰误差补偿模块，所述4通道D/A转换器与所述导航控制模块的第二ARM处理器的SPI接口连接，该4通道D/A转换器的输出端分别与所述方位误差补偿模块、横滚误差补偿模块和俯仰误差补偿模块连接；导航控制模块的第二ARM处理器通过SPI接口控制4通道D/A转换器（型号为AD5764）实现数字模拟转换 ，通过运算放大器（型号为OPA544）和精密电阻实现电压-电流转换；D/A补偿模块具有最多4路D/A输出，可以实际系统需要实现剪裁，从而保证了整个导航计算机能够通用于单轴、双轴及三轴平台式惯导设备。
通讯模块包括通讯接口电路，所述第二ARM处理器通过该通讯接口电路与上位机、调试机双向通信；通讯模块使用MAX3232芯片实现RS232串行接口电平转换，使用MAX485芯片实现RS422串行接口电平转换，使CAN总线收发芯片（型号为：TJA1050）及外围阻容器件实现CAN接口驱动，使用外围阻容器件实现以太网接口驱动，所述导航控制模块的第二ARM处理器的片上UART1接口、CAN接口和网络接口外加扩展外围电路作为调试和对外通讯接口，实现和调试机、上位机通讯，所述通讯模块提供了RS232/RS422/CAN及以太网接口，可以根据需要实现剪裁。
端口控制模块设置有端口缓冲电路、水平陀螺回路控制模块、方位陀螺回路控制模块和端口检测电路，端口缓冲电路与导航控制模块双向连接，端口缓冲电路的输出端分别与所述水平陀螺回路控制模块和方位陀螺回路控制模块的输入端连接，所述端口检测电路的输出端与所述端口缓冲电路的输入端连接。端口控制模块以总线缓冲器（型号：74LVC245）作为缓冲芯片，所述导航控制模块的LM3S8962处理器的PE端口、PF端口以及PB端口、PC端口和PD端口控制平台式惯导系统的陀螺启停、力反馈回路开关、稳定回路开关及所述D/A补偿模块中电压-电流转换的精粗切换、力矩器切换，其中PE接口控制水平陀螺伺服回路，PF接口控制方位陀螺伺服回路，PB接口、PC接口和PD接口分别控制方位、俯仰、横滚力矩器切换，从而保证了整个导航计算机板能够通用于单轴、双轴及三轴平台式惯导设备。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (3)
1.基于双ARM单片机的平台式惯导设备通用计算机，其特征在于，包括分开安装的AD采集板和计算机底板，所述AD采集板和计算机底板分别安装有第一ARM处理器和第二ARM处理器；
所述AD采集板上还设置有三路6通道A/D转换器、三组调理电路、旋转变压器激磁输入模块和过零比较器，其中第一组调理电路的输出端通过第一6通道A/D转换器与所述第一ARM处理器连接，第二组调理电路的输出端通过第二6通道A/D转换器与所述第一ARM处理器连接，第三组调理电路的输出端通过第三6通道A/D转换器与所述第一ARM处理器连接，所述旋转变压器激磁输入模块的输出端与所述过零比较器的输入端连接，该过零比较器的输出端与所述第一ARM处理器的输入端连接；
所述计算机底板包括导航控制模块、D/A补偿模块、通讯模块和端口控制模块，所述导航控制模块由第二ARM处理器及其外围电路组成，该第二ARM处理器与所述第一ARM处理器通过RS232串口通信，所述第二ARM处理器还分别与所述D/A补偿模块、通讯模块和端口控制模块连接。
2.根据权利要求1所述的基于双ARM单片机的平台式惯导设备通用计算机，其特征在于，所述第一组调理电路包括第一路旋转变压器输出信号调理电路、第一路加计信号调理电路和第一路陀螺信号调理电路；
所述第二组调理电路包括第二路旋转变压器输出信号调理电路、第二路加计信号调理电路和第二路陀螺信号调理电路；
所述第三组调理电路包括第三路旋转变压器输出信号调理电路、第三路加计信号调理电路和第三路陀螺信号调理电路。
3.根据权利要求1所述的基于双ARM单片机的平台式惯导设备通用计算机，其特征在于，所述D/A补偿模块包括4通道D/A转换器、方位误差补偿模块、横滚误差补偿模块和俯仰误差补偿模块，所述4通道D/A转换器与所述第二ARM处理器的SPI接口连接，该4通道D/A转换器的输出端分别与所述方位误差补偿模块、横滚误差补偿模块和俯仰误差补偿模块的输入端连接；
所述通讯模块包括通讯接口电路，所述第二ARM处理器通过该通讯接口电路与上位机、调试机双向通信；
所述端口控制模块设置有端口缓冲电路、水平陀螺回路控制模块、方位陀螺回路控制模块和端口检测电路，所述端口缓冲电路与所述第二ARM处理器双向连接，所述端口缓冲电路的输出端分别与所述水平陀螺回路控制模块和方位陀螺回路控制模块的输入端连接，所述端口检测电路的输出端与所述端口缓冲电路的输入端连接。
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