CN110017836B - 加速度计数字采样滑窗滤波跨时钟域同步数据传输方法 - Google Patents

加速度计数字采样滑窗滤波跨时钟域同步数据传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种加速度计数字采样滑窗滤波跨时钟域同步数据传输方法，其特征在于，步骤如下：第一步：指令控制及初始化，加速度计处理电路接收外部下发指令，指令主要控制工作模式、串行传输波特率和触发间隔；触发间隔：根据外部指令确定传输数据间隔，内部触发和外部触发通用，在确定AD工作频率和传输间隔之后，初始化滤波器参数；判断工作在内部触发模式还是外部触发模式。本发明采用上述加速度计数字采样滑窗滤波跨时钟域同步数据传输方法，极大提升了当前采样电路的工程可移植性，减小加速度计组件与导航计算机跨时钟域通信变采样率下数据传输的混叠误差，提升了加速度信息完整性。

Description

加速度计数字采样滑窗滤波跨时钟域同步数据传输方法
技术领域
本发明涉及惯性传感器测量、惯导系统信号处理技术领域，特别是涉及一种加速度计数字采样滑窗滤波跨时钟域同步数据传输方法。
背景技术
惯性技术是一项涉及多学科的综合技术，它是惯性导航和惯性制导技术、惯性仪表技术、惯性测量技术以及有关系统和装置技术的统称。惯性导航系统依靠自身的惯性敏感元件，不依赖任何外界信息测量导航参数，因此它不受天然的或人为的干扰，具有很好的隐蔽性，是一种完全自主式的导航系统。
惯性测量单元是导航、制导和控制系统的核心，主要由以下几部分组成：陀螺传感器，用于敏感角速度或角度；加速度计传感器，用于敏感比力，从而获得速度、位置的变化量；导航计算机，用于处理陀螺和加速度计传感器数据，形成系统解算所需信息，如图1所示。
目前，惯导系统或者惯性测量单元广泛应用的加速度计为模拟闭环石英挠性加速度计，敏感外部加速度输入并转换成对应的电流输出，具有结构简单、精度高、动态范围大等优点，实际使用中需要将加速度计输出的模拟电流信号转换为数字信号，并传输至嵌入式系统或者计算机才可进行处理。目前模拟电流数字化方案已经接近完备，主要包括IF、VF、AD等方案，得益于AD模数转换芯片的高速发展，目前加速度计AD采样方案逐渐成为主流，具有分辨率更高、标度因数更大等优点。由于AD芯片一般具有某个范围的采样频率，因此AD采样方案中如果需要保证整周期采样输出的话，整体加速度更新频率将是AD工作频率的整数倍，通常并不是整数毫秒，考虑导航应用中需要特定解算步长(目前常用1ms、2.5ms、5ms、10ms等)，因此AD方案的采样输出非标准频率，同时导航计算机与AD方案电路通常并不是同一时钟，时钟漂移也会导致AD电路输出频率与导航计算机计算频率出现误差。此外，导航系统常用三轴加速度计，不同加速度计之间的输出频率也存在差异。
考虑极限情况下的不同步误差：如图2所示，ax、ay、az三条横线分别代表三个轴(X轴、Y轴和Z轴)加速度计配合AD采样电路的输出时序，线上每一个节点表示输出数据的时刻，每相邻两个时间点的间隔为△T，tk、tk+1、tk+2表示导航计算机定时采样时刻，采样周期为q，tk至tk+1内X轴加速度计有三个输出数据，而tk+1至tk+2内X轴加速度计仅有两个输出数据。从信号频域来说，在此异步通信变采样率的情况下，导航计算机接收信号的频谱较原信号频谱将发生混叠。振动等动态环境条件下加速度计输出等效误差会更大，引起导航解算误差增大。
综上所述，对于工程实际中的惯性传感器测量或惯性导航系统应用，时钟的不同步、导航计算机的变频率采样及测量载体的振动都将引起加速度计与导航计算机间数据传输产生误差，最终导致测量或者导航结果难以达到理想精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种加速度计数字采样滑窗滤波跨时钟域同步数据传输方法，极大提升了当前采样电路的工程可移植性，减小加速度计组件与导航计算机跨时钟域通信变采样率下数据传输的混叠误差，提升了加速度信息完整性。
为实现上述目的，本发明提供了一种加速度计数字采样滑窗滤波跨时钟域同步数据传输方法，步骤如下：
第一步：指令控制及初始化
加速度计处理电路接收外部下发指令，指令主要控制工作模式、串行传输波特率和触发间隔；
触发间隔：根据外部指令确定传输数据间隔，内部触发和外部触发通用，在确定AD工作频率和传输间隔之后，初始化滤波器参数，具体见第二步；
判断工作在内部触发模式还是外部触发模式：内部触发模式下加速度计根据本身采样间隔时钟进行数据滑窗滤波及传输，转第三步；外部触发模式下，加速度计检测外部触发信号，并进行数据滑窗滤波及传输，转第四步；
第二步：滤波器参数寄存器
考虑FPGA乘法器IP核，对加速度输出数据进行滑窗滤波时的除法运算，通过求取倒数转换成乘法运算；
开辟独立寄存器空间，存储滤波器参数为单采样周期内累加计数器所对应的滤波乘法器系数；
根据不同外部触发间隔，形成若干个寄存器，使用时通过采样间隔指令形成第一级检索、通过计数器实际值执行第二级检索，从而完成滑窗滤波；
第三步：内部触发模式
外部指令控制加速度计组件工作于内部触发模式，根据自身晶振产生固定采样周期，如1ms的采样间隔，信号形式为脉冲；
内部采样模块在检测到触发脉冲信号时，从零开始累加AD芯片采样的加速度信号，同时开始计数器累加，指代当前所累加的加速度输出值个数；检测到下一个触发脉冲信号时，将加速度信号累加值和计数器锁存至独立寄存器，并将累加值和计数器清零，随即开始下一采样间隔内的数据累加和计数；
第四步：外部触发模式
外部指令控制加速度计组件工作于外部触发模式，当无外部触发信号时，不进行数据传输，只有当检测到触发信号时才进行数据处理及传输；在检测到外部同步触发脉冲时，检查当前时刻为起始点第一个完成AD取样的加速度信号，然后对数据进行累加，每累加一次加速度信号即计数器执行+1；当检测到下一个外部同步触发脉冲时，锁存累加值和计数器至独立寄存器、清零，同时启动下一周期的数据累加和计数器累加；
第五步：数据滤波及传输
第一种滤波传输：完成一个周期内的数据和计数累加之后，在数据滤波及发送模块，首先依据第二步检索寄存器表，得到当前计数器对应的滤波参数，调用FPGA内置乘法器IP核，计算完成之后按照特定波特率传输给导航计算机，计算结果记录为
Figure BDA0002037987370000041
此滤波计算结果对应的加速度值为采样结果的2m倍，实际体现只是整体标度变为2m倍，并不影响测量或导航系统使用；
第二种滤波传输：将一周期内的数据累加值和计数器同时传输给导航计算机，由导航计算机完成数据滑窗滤波，保证达到导航计算机浮点运算精度。
优选的，加速度计处理电路采样模块选用AD模数转换芯片，处理器芯片采用FPGA，在FPGA内部开辟独立寄存器空间，保存不同采样间隔下的滤波器参数，输出为与加速度成正比的数字信号
Figure BDA0002037987370000051
针对不同采样输出间隔要求，可根据指令自动适配，在变采样频率时刻保证零偏标度因数等关键参数不发生改变。
本发明的模拟闭环石英挠性加速度计数字采样跨时钟域同步数据传输方法，以导航计算机或其他外部传输通道发出的取样脉冲为时间基准，输出相邻采样间隔内的加速度均值，可有效降低导航计算机采样频率与加速度计AD取样频率异步的影响，提升加速度计实际使用精度，在导航计算机有不同解算频率需求时也可普遍适用，亦可避免高速数据取样及传输模式下加速度信息丢失，保留传感器敏感的所有信息。
根据实际应用环境考虑，惯导系统拟定导航解算步长，也即决定了惯性传感器的采样周期。导航计算机以解算步长为依据，发送同步触发信号，加速度计采样电路接收到导航计算机给出的触发信号之后对开始对采样数据进行计数，同时对数据累加，直至接收到下一个触发信号；将计数器值和累加值锁存至独立寄存器中，并将计数器和累加值清零即开始下一采样周期的信号计数、数据累加；结合独立寄存器中的计数器值和累加值，对加速度计信号数据做平均，此平均值即为当前采样间隔内的载体加速度平均值，可传输给导航计算机做下一步的计算处理，当无外部数据通信时，可自行生成触发信号进行数据输出。
本发明的模拟闭环石英挠性加速度计数字采样跨时钟域传输方法的优点在于：根据外部定时采样信号，将采样间隔内的加速度均值发送给导航计算机，加速度计采样电路中滑窗滤波可保证完整数据信号，触发信号的频率可随时切换，且加速度输出标度因数可保持一致，极大提升了当前采样电路的工程可移植性，减小加速度计组件与导航计算机跨时钟域通信变采样率下数据传输的混叠误差；采样周期内计数器和累加值同时发送或者采用先左移对原始累加值进行放大的方式，较大程度提升了加速度信息完整性。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是惯性测量单元框图；
图2是极限情况加速度计与导航计算机传输误差示意图；
图3是本发明加速度计数字采样滑窗滤波跨时钟域同步数据传输方法的加速度计数字采样跨时钟域数据滑窗滤波传输流程图；
图4是本发明加速度计数字采样滑窗滤波跨时钟域同步数据传输方法的加速度计传输信号与计数器累加时序；
图5是本发明加速度计数字采样滑窗滤波跨时钟域同步数据传输方法的外部触发脉冲信号检测时序。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
图3是本发明加速度计数字采样滑窗滤波跨时钟域同步数据传输方法的加速度计数字采样跨时钟域数据滑窗滤波传输流程图，图4是本发明加速度计数字采样滑窗滤波跨时钟域同步数据传输方法的加速度计传输信号与计数器累加时序，图5是本发明加速度计数字采样滑窗滤波跨时钟域同步数据传输方法的外部触发脉冲信号检测时序，如图所示，一种加速度计数字采样滑窗滤波跨时钟域同步数据传输方法，加速度计采样电路核心模块为AD模数转换芯片、FPGA处理器芯片。根据实际使用需求，可自生成触发信号进行数据传输、亦可在外部触发信号下进行数据传输，数据更新频率可变且不影响加速度输出标度因数、零偏等系统误差；滑窗滤波器可在加速度计采样电路中设计、亦可在导航计算机中进行处理；需要保证数据信号完整性时，提供两种便于工程实现的方式进行数据处理和传输。以目前模拟闭环石英挠性加速度计AD数据采样方案为例，主要处理核心为FPGA芯片，本发明提供的加速度计数字采样滑窗滤波跨时钟域同步数据传输方法包括以下步骤：
第一步：指令控制及初始化
加速度计处理电路接收外部下发指令，可由导航计算机、测量计算机或者其他协同设备提供指令，指令主要控制工作模式、串行传输波特率、触发间隔等。
确定串行传输波特率：根据外部指令确定波特率，在第四步中按要求进行传输。
触发间隔：根据外部指令确定传输数据间隔，内部触发和外部触发通用，在确定AD工作频率和传输间隔之后，初始化滤波器参数，具体见第二步。
判断工作在内部触发模式还是外部触发模式：内部触发模式下加速度计根据本身采样间隔时钟进行数据滑窗滤波及传输，转第三步；外部触发模式下，加速度计检测外部触发信号，并进行数据滑窗滤波及传输，转第四步。
第二步：滤波器参数寄存器
考虑FPGA乘法器IP核，对加速度输出数据进行滑窗滤波时的除法运算，通过求取倒数转换成乘法运算；开辟独立寄存器空间，存储滤波器参数为单采样周期内累加计数器所对应的滤波乘法器系数；如外部触发间隔为1ms，AD工作频率约为100kHz，那单个采样周期内所能完成的AD采样有100次，考虑时钟漂移，计数器并不总是100次，设定一个范围如[90,110]，记为Nx，累加值为N(Tk)，Nm取倒数之后数据较小影响滤波输出禁锢的，因此将
Figure BDA0002037987370000081
执行左移m位并取整，变为
Figure BDA0002037987370000082
得到滤波器参数寄存器：
Figure BDA0002037987370000083
此记为1ms采样间隔下的滤波器参数寄存器。
根据不同外部触发间隔，形成若干个寄存器，使用时通过采样间隔指令形成第一级检索、通过计数器实际值执行第二级检索，从而完成滑窗滤波。
第三步：内部触发模式
外部指令控制加速度计组件工作于内部触发模式，根据自身晶振产生固定采样周期，如1ms的采样间隔，信号形式为脉冲；
内部采样模块在检测到触发脉冲信号时，从零开始累加AD芯片采样的加速度信号，同时开始计数器累加，指代当前所累加的加速度输出值个数；检测到下一个触发脉冲信号时，将加速度信号累加值和计数器锁存至独立寄存器，并将累加值和计数器清零，随即开始下一采样间隔内的数据累加和计数；如图4所示，△T为加速度计采样电路AD取样周期，h为内部触发信号的周期，N(Tk)为当前周期内加速度数据累加值，Nk1、Nk2、Nk3……为第k周期内取样计数器分布，Nx为最终计数器值。
第四步：外部触发模式
外部指令控制加速度计组件工作于外部触发模式，当无外部触发信号时，不进行数据传输，只有当检测到触发信号时才进行数据处理及传输。加速度计采样模块采用n次连续节拍形式检测外部触发脉冲，要求触发脉宽在一定宽度以上，防止亚稳态引起内部时序错乱导致数据传输周期不稳，如图5所示。在检测到外部同步触发脉冲时，检查当前时刻为起始点第一个完成AD取样的加速度信号，然后对数据进行累加，每累加一次加速度信号即计数器执行+1；当检测到下一个外部同步触发脉冲时，锁存累加值和计数器至独立寄存器、清零，同时启动下一周期的数据累加和计数器累加。
第五步：数据滤波及传输
第一种滤波传输：完成一个周期内的数据和计数累加之后，在数据滤波及发送模块，首先依据第二步检索寄存器表，得到当前计数器对应的滤波参数，调用FPGA内置乘法器IP核，计算完成之后按照特定波特率传输给导航计算机，计算结果记录为
Figure BDA0002037987370000091
此滤波计算结果对应的加速度值为采样结果的2m倍，实际体现只是整体标度变为2m倍，并不影响测量或导航系统使用；
第二种滤波传输：将一周期内的数据累加值和计数器同时传输给导航计算机，由导航计算机完成数据滑窗滤波，保证达到导航计算机浮点运算精度。
加速度计处理电路采样模块选用AD模数转换芯片，处理器芯片采用FPGA，在FPGA内部开辟独立寄存器空间，保存不同采样间隔下的滤波器参数，输出为与加速度成正比的数字信号
Figure BDA0002037987370000092
针对不同采样输出间隔要求，可根据指令自动适配，在变采样频率时刻保证零偏标度因数等关键参数不发生改变。
因此，本发明采用上述加速度计数字采样滑窗滤波跨时钟域同步数据传输方法，极大提升了当前采样电路的工程可移植性，减小加速度计组件与导航计算机跨时钟域通信变采样率下数据传输的混叠误差，提升了加速度信息完整性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种加速度计数字采样滑窗滤波跨时钟域同步数据传输方法，其特征在于，步骤如下：
第一步：指令控制及初始化
加速度计处理电路接收外部下发指令，指令控制工作模式、串行传输波特率和触发间隔；
触发间隔：根据外部指令确定传输数据间隔，内部触发和外部触发通用，在确定AD工作频率和传输间隔之后，初始化滤波器参数，具体见第二步；
判断工作在内部触发模式还是外部触发模式：内部触发模式下加速度计根据本身采样间隔时钟进行数据滑窗滤波及传输，转第三步；外部触发模式下，加速度计检测外部触发信号，并进行数据滑窗滤波及传输，转第四步；
第二步：滤波器参数寄存器
考虑FPGA乘法器IP核，对加速度输出数据进行滑窗滤波时的除法运算，通过求取倒数转换成乘法运算；
开辟独立寄存器空间，存储滤波器参数为单采样周期内累加计数器所对应的滤波乘法器系数；
根据不同外部触发间隔，形成若干个寄存器，使用时通过采样间隔指令形成第一级检索、通过计数器实际值执行第二级检索，从而完成滑窗滤波；
第三步：内部触发模式
外部指令控制加速度计组件工作于内部触发模式，根据自身晶振产生固定采样周期，1ms的采样间隔，信号形式为脉冲；
内部采样模块在检测到触发脉冲信号时，从零开始累加AD芯片采样的加速度信号，同时开始计数器累加，指代当前所累加的加速度输出值个数；检测到下一个触发脉冲信号时，将加速度信号累加值和计数器锁存至独立寄存器，并将累加值和计数器清零，随即开始下一采样间隔内的数据累加和计数；
第四步：外部触发模式
外部指令控制加速度计组件工作于外部触发模式，当无外部触发信号时，不进行数据传输，只有当检测到触发信号时才进行数据处理及传输；在检测到外部同步触发脉冲时，检查当前时刻为起始点第一个完成AD取样的加速度信号，然后对数据进行累加，每累加一次加速度信号即计数器执行+1；当检测到下一个外部同步触发脉冲时，锁存累加值和计数器至独立寄存器、清零，同时启动下一周期的数据累加和计数器累加；
第五步：数据滤波及传输
完成一个周期内的数据和计数累加之后，有两种滤波传输方式：
第一种滤波传输：完成一个周期内的数据和计数累加之后，在数据滤波及发送模块，首先依据第二步检索寄存器表，得到当前计数器对应的滤波参数，调用FPGA内置乘法器IP核，计算完成之后按照特定波特率传输给导航计算机，计算结果记录为
此滤波计算结果对应的加速度值为采样结果的2m倍，实际体现只是整体标度变为2m倍，并不影响测量或导航系统使用；
或者第二种滤波传输：将一周期内的数据和计数累加值同时传输给导航计算机，由导航计算机完成数据滑窗滤波，保证达到导航计算机浮点运算精度。
2.根据权利要求1所述的加速度计数字采样滑窗滤波跨时钟域同步数据传输方法，其特征在于：加速度计处理电路采样模块选用AD模数转换芯片，处理器芯片采用FPGA，在FPGA内部开辟独立寄存器空间，保存不同采样间隔下的滤波器参数，输出为与加速度成正比的数字信号针对不同采样输出间隔要求，可根据指令自动适配，在变采样频率时刻保证零偏标度因数关键参数不发生改变。
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