CN105571581A - 一种基于cpld开发的多路光学陀螺仪同步采集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于CPLD开发的多路光学陀螺仪同步采集系统，适用于采集接口电路为RS422标准的各类光学陀螺仪，可与数字信号处理器共同搭建成为惯性测量单元采集系统，包括串口扩展电路和由CPLD编程实现的控制电路。串口扩展电路接收陀螺仪输出的角增量、温度和时标信息，并将其转换为并行数据发送给由CPLD编程实现的控制电路，由CPLD编程实现的控制电路自动初始化串口扩展电路，并向多路光学陀螺仪发送同步触发信号，同时还读取、校验、解码、综合处理陀螺仪测量信息。本发明结构简单，可拓展性强，可同步采集多路光学陀螺仪，可有效避免数据溢出、丢失，实现高速、可靠的数据采集，并可大大降低后端数字信号处理器的繁杂任务量。

Description

一种基于CPLD开发的多路光学陀螺仪同步采集系统
技术领域
本发明涉及一种基于CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice，复杂可编程逻辑器件)开发的多路光学陀螺仪同步采集系统，属于光学陀螺仪信息采集的技术领域，适用于采集接口电路为RS422标准的各类光学陀螺仪，特别适用于同步采集多路光学陀螺仪。
背景技术
一般的，惯性导航系统的测试和工作过程中均需要对多个陀螺仪进行同步采集和处理，尤其是采用了器件冗余方案的惯性导航系统，往往需要同时采集四个以上陀螺仪的测量信息。此外，随着光学陀螺仪的发展和进步，按RS422标准设计接口电路的激光陀螺仪和光纤陀螺仪正在大范围地占领惯性器件的应用市场。
目前，公知的光学陀螺仪采集系统多以数字信号处理器为核心进行测量信息的采集和处理，即便采集系统中涉及了CPLD辅助电路，也仅仅是利用了CPLD发送触发信号、综合中断处理信号等简单逻辑功能，数据的读取、校验、解码和综合处理的繁杂工作仍由数字信号处理器完成，这一方面占用数字信号处理器大量的控制信号端口和计算资源；另一方面，操作串口扩展电路的复杂时序要求也对数字信号处理器的程序逻辑和中断设置提出了苛刻的要求，特别是在采集多路测量信息时，数字信号处理器顺序执行操作的特点容易造成串口扩展电路的控制时序被中断干扰和读取等待时间过长的问题，进而产生缓存数据溢出或数据丢失的现象；此外，目前公知的以数字信号处理器为核心的采集系统的拓展性能还不够理想，当增加信息采集通道时，需要对整个采集系统的时序逻辑、中断设置、端口设置等进行大规模的调整，甚至推倒重来的重新设计，往往无法在原有设计的基础上实现快速、有效拓展。
发明内容
本发明旨在克服现有多路光学陀螺仪同步采集系统的不足，针对采集接口电路为RS422标准的各类光学陀螺仪，提出一种基于CPLD开发的多路光学陀螺仪同步采集系统，利用串口扩展电路和由CPLD编程实现的控制电路同步触发、接收、读取、校验、解码、综合处理多路光学陀螺仪的测量信息，结构简单，可拓展性强，在实现数据高速、可靠采集的同时，大大简化了数字信号处理器的工作任务，放宽了时序要求。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于CPLD开发的多路光学陀螺仪同步采集系统，适用于采集接口电路为RS422标准的各类光学陀螺仪，可与数字信号处理器共同搭建成为惯性测量单元采集系统，包括串口扩展电路(1)和由CPLD编程实现的控制电路(2)，所述串口扩展电路(1)通过数据总线和控制信号线与由CPLD编程实现的控制电路(2)互连，串口扩展电路(1)接收光学陀螺仪输出的角增量、温度和时标信息，将RS422标准的串行数据暂存在芯片的内部缓存中，每路采集通道在完整采集完一帧陀螺仪测量信息后，发出与之对应的中断处理信号给由CPLD编程实现的控制电路(2)，并在由CPLD编程实现的控制电路(2)的时序控制下，完成向由CPLD编程实现的控制电路(2)的并行数据发送；
所述由CPLD编程实现的控制电路(2)通过数据总线和控制信号线与串口扩展电路(1)互连，通过触发信号线与光学陀螺仪互连，预留可与数字信号处理器高速通讯的数据总线端和地址总线端，上电启动后由CPLD编程实现的控制电路(2)首先通过数据总线和控制信号线自动初始化串口扩展电路(1)，然后通过触发信号线向光学陀螺仪持续发送同步触发信号，并在收到串口扩展电路(1)的中断处理信号后，通过操作串口扩展电路(1)的控制端口，将串口扩展电路(1)缓存中的陀螺仪测量信息以并行数据的方式读入由CPLD编程实现的控制电路(2)中，在校验原始测量信息的帧头、帧尾、校验位、时标信息后，将测量信息从一帧的多个字节中解码重组，做累加或平均处理，并分类存储在由CPLD编程实现的控制电路(2)的内部寄存器中，供后端数字处理器通过数据总线端和地址总线端读取调用。
其中，所述的串口扩展电路(1)采用的芯片是SC16C554。
其中，所述的由CPLD编程实现的控制电路(2)采用的芯片是EPM2210。
本发明的原理在于：
以激光陀螺仪和光纤陀螺仪为代表的光学陀螺仪一般按RS422标准设计接口电路，并需要固定频率的触发信号输入，从而要求这类光学陀螺仪在使用过程中必须先对其发送触发信号，然后读取测量信息，再发送触发信号，再读取测量信息，如此循环往复，换句话说，即需要在两个相邻触发信号之间的时间间隔内完成测量信息的读取。一般而言，对于惯性导航系统或惯性测量单元采集系统，系统的采集计算频率与触发频率一致，这就要求陀螺仪测量信息的读取、校验、解码、综合处理等工作高速、可靠、高效地完成，以便为脉冲采集、AD读取、导航解算、通讯等其他工作任务留足处理时间，尤其在面对多器件的余度惯性导航系统或多器件同步采集任务时，更加要求采集系统还需具备较好的拓展性。
基于芯片SC16C554开发的串口扩展电路能够迅速将光学陀螺仪输出的RS422标准的串行数据转换为可高速通讯、处理的并行数据；而基于CPLD开发的控制电路能够将内部同步时钟复制到多个发送端，可同步触发多个光学陀螺仪，控制电路可同时并行控制多个SC16C554芯片，能够高速读取芯片缓存内多个字节的并行数据，并对一帧完整的测量信息进行校验、解码、综合处理，整个过程无中断干扰，进而实现对测量信息的高速、可靠处理。CPLD通用端口丰富，可模块化增加多路采集通道，各控制进程可并行运行，相互独立，因而具有极强的拓展性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过串口扩展电路和由CPLD编程实现的控制电路，可独立采集测量信息，有利于功能的模块化设计，减少数字信号处理器的负担；
2、本发明中以由CPLD编程实现的控制电路为核心，时序稳定，运行速度快，无中断干扰，实现对测量信息的高速、稳定、准确采集；
3、本发明中由CPLD编程实现的控制电路具有众多通用端口，内部各进程相互独立，可在不影响整个系统时序的情况下为原有设计模块化增加多路采集通道，具有极强的拓展性。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明具体实施例的详细信号处理示意图；
图3为本发明具体实施例的CPLD电路和串口扩展电路原理图；
图4为本发明具体实施例的光学陀螺仪的电路接口原理图；
图5为本发明的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。本发明以同步采集6路光学陀螺仪的测量数据为例进行说明。
如图1所示，各功能框图和箭头的连接方向代表了本发明的基本原理和信号控制关系。本发明所述系统由串口拓展电路1和由CPLD编程实现的控制电路2构成。其中，串口扩展电路1通过RS422标准的接口电路接收6路光学陀螺仪的测量信息；由CPLD编程实现的控制电路2通过触发信号线与6路光学陀螺仪互连，通过控制信号线与数据总线对串口扩展电路1交联，通过预留的数据总线和地址总线接口与其他数字信号处理器交联。
图2为本发明具体实施例的详细信号处理图。6路光学陀螺仪输出的角增量、温度和时标信息经422收发器从RS422标准的差分串行数据转换为单线串行数据后，进入串口扩展电路1的串行数据接收端RXA、RXB、RXC、RXD，串口扩展电路1以字节为单位将串行数据转换为并行数据后，暂存在芯片SC16C554的内部缓存FIFO中，每路采集通道在完整采集完一帧陀螺仪测量信息的多个字节后，发出与之对应的中断处理信号给由CPLD编程实现的控制电路2，等待由CPLD编程实现的控制电路2进行读取控制操作。所述由CPLD编程实现的控制电路2的通用输入输出端口IO配置为多组并行数据端口和多组控制端口，通过数据总线和控制信号线与串口扩展电路1互连；由CPLD编程实现的控制电路2的同步时钟发送端G1_Syn+/-、G2_Syn+/-、G3_Syn+/-、G4_Syn+/-、G5_Syn+/-、G6_Syn+/-通过触发信号线与6路光学陀螺仪互连。由CPLD编程实现的控制电路2预留可与数字信号处理器高速通讯的数据总线端XD0～XD15和地址总线端XA0～XA5。图中“光学陀螺仪×6”表示6路光学陀螺仪，“422收发器×6”表示6组RS422收发器芯片电路，“SC16C554×2”表示2组SC16C554芯片电路。
图3为本发明具体实施例的CPLD电路和串口扩展电路原理图。所述串口扩展电路1采用的芯片是SC16C554，该芯片是一款4通道通用异步接收器和发射机，为了能够清楚地描述和区分，本发明中将该芯片的4路通道分别命名为A、B、C、D，本实施例中采用了2组SC16C554芯片，每组芯片中的A、B、C通道与3路光学陀螺仪相连，两组芯片共实现6路光学陀螺仪数据的采集。所述由CPLD编程实现的控制电路2采用的芯片是EPM2210，该芯片通用输入输出端口众多，内部运算速度大大高于目前通用的数字信号处理器。同时，该可编程芯片无中断干扰，响应快，时序稳定。最重要的是其可并行执行内部的独立采集进程，因而可实现同时操作多组SC16C554芯片，不会造成SC16C554芯片等待时间过长引起的缓存数据溢出或覆盖丢失，保证多路光学陀螺仪测量信息的高速、稳定采集。所述串口扩展电路1的并行数据端口D0～D7通过数据总线与由CPLD编程实现的控制电路2互连，以此实现二者之间数据的高速通讯；串口扩展电路1的使能端CSA、CSB、CSC、CSD、读写控制端IOR、IOW、读写地址端A0A1A2、中断发送端INTA、INTB、INTC、INTD通过控制信号线与由CPLD编程实现的控制电路2互连，以此实现由CPLD编程实现的控制电路2对串口扩展电路1的独立控制操作。
图4为本发明具体实施例的光学陀螺仪的电路接口原理图。所述6路光学陀螺仪的触发接收端R+/-分别与由CPLD编程实现的控制电路2的同步时钟发送端G1_Syn+/-、G2_Syn+/-、G3_Syn+/-、G4_Syn+/-、G5_Syn+/-、G6_Syn+/-互连，以此接收同步触发信号，实现6路光学陀螺仪的同步工作；数据发送端T+/-分别与串口扩展电路1的G1-Data+/-、G2-Data+/-、G3-Data+/-、G4-Data+/-、G5-Data+/-、G6-Data+/-互连，以此实现RS422标准通讯。
下面结合附图2～附图4对本发明的信号关系和控制方式做进一步说明。采样系统上电启动后，由CPLD编程实现的控制电路2首先通过数据总线和控制信号线操作串口扩展电路1的并行数据端口D0～D7、使能端CSA、CSB、CSC、CSD、读写控制端IOW、读写地址端A0A1A2，自动初始化串口扩展电路1的内部配置寄存器IER、FCR、MCR、LCR、DLL、DLM，设置中断、缓存、模式、串行数据位设置和传输速率等参数，初始化完成后通过触发信号线向6路光学陀螺仪持续发送同步触发信号，等待陀螺仪测量信息发送完成并在收到串口扩展电路1的中断处理信号后，在内部时钟的驱动下通过操作串口扩展电路1的并行数据端口D0～D7、使能端CSA、CSB、CSC、CSD、读写控制端IOR、读写地址端A0A1A2，将串口扩展电路1缓存FIFO中一帧完整的陀螺仪测量信息以并行数据的方式依次读入由CPLD编程实现的控制电路2中，然后校验原始测量信息的帧头、帧尾、校验位、时标信息，若校验有误则等待下一个采集周期重新进行信号采集，若校验正确无误，则将测量信息从一帧的多个字节中解码重组为无校验信息的纯数字类型，对角增量信息做累加处理，对陀螺仪温度信息做平均处理，并分类存储在由CPLD编程实现控制电路2的内部寄存器G1-Data、G2-Data、G3-Data、G4-Data、G5-Data、G6-Data中，供后端数字处理器通过数据总线端XD0～XD15和地址总线端XA0～XA5读取调用，并备有各路采集通道中断信号的综合中断发送端INT-G，整个系统对外接口简单，后端数字信号处理只需在接受到端口INT-G的中断信号后，通过数据总线端和地址总线端读取由CPLD编程实现控制电路2中的对应寄存器即可，大大放宽了对数字信号处理器的时序要求，寄存器中的测量信息已经校验解码和累加平均，大大节省了降低后端数字信号处理器的繁杂任务量。
图5为本发明的工作流程图。同步采集系统上电启动后，CPLD电路2首先初始化串口扩展电路1；初始化完成后CPLD电路2开始向各路光学陀螺仪同步发送触发信号；光学陀螺仪响应触发信号并发出RS422标准的串行数据，串口扩展电路1以字节为单位接收、转换、存储测量数据，若数据字节数构成完整的一帧数据则向CPLD电路2发送中断处理信号，否则继续等待下一字节数据；CPLD电路2响应中断处理信号，通过并行数据总线读入串口扩展电路2中的测量数据；然后，CPLD电路2对测量数据进行校验，若校验有误则等待下一个采集周期重新进行信号采集，若校验正确则对测量数据进行解码重组、累加平均等操作；操作完成后根据结束指令判断是否等待下一个采集周期继续采集或结束本次采集任务。
本发明未详细公开的内容为本领域技术人员的公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种基于CPLD开发的多路光学陀螺仪同步采集系统，适用于采集接口电路为RS422标准的各类光学陀螺仪，可与数字信号处理器共同搭建成为惯性测量单元采集系统，其特征在于：包括串口扩展电路(1)和由CPLD编程实现的控制电路(2)，所述串口扩展电路(1)通过数据总线和控制信号线与由CPLD编程实现的控制电路(2)互连，串口扩展电路(1)接收光学陀螺仪输出的角增量、温度和时标信息，将RS422标准的串行数据暂存在芯片的内部缓存中，每路采集通道在完整采集完一帧陀螺仪测量信息后，发出与之对应的中断处理信号给由CPLD编程实现的控制电路(2)，并在由CPLD编程实现的控制电路(2)的时序控制下，完成向由CPLD编程实现的控制电路(2)的并行数据发送；
所述由CPLD编程实现的控制电路(2)通过数据总线和控制信号线与串口扩展电路(1)互连，通过触发信号线与光学陀螺仪互连，预留可与数字信号处理器高速通讯的数据总线端和地址总线端，上电启动后由CPLD编程实现的控制电路(2)首先通过数据总线和控制信号线自动初始化串口扩展电路(1)，然后通过触发信号线向光学陀螺仪持续发送同步触发信号，并在收到串口扩展电路(1)的中断处理信号后，通过操作串口扩展电路(1)的控制端口，将串口扩展电路(1)缓存中的陀螺仪测量信息以并行数据的方式读入由CPLD编程实现的控制电路(2)中，在校验原始测量信息的帧头、帧尾、校验位、时标信息后，将测量信息从一帧的多个字节中解码重组，做累加或平均处理，并分类存储在由CPLD编程实现的控制电路(2)的内部寄存器中，供后端数字处理器通过数据总线端和地址总线端读取调用。
2.根据权利要求1所述的一种基于CPLD开发的多路光学陀螺仪同步采集系统，其特征在于：所述的串口扩展电路(1)采用的芯片是SC16C554。
3.根据权利要求1所述的一种基于CPLD开发的多路光学陀螺仪同步采集系统，其特征在于：所述的由CPLD编程实现的控制电路(2)采用的芯片是EPM2210。
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