CN114964243B - 一体化惯性导航数据采集及处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一体化惯性导航数据采集及处理系统，涉及电数字数据处理技术领域，包括温度量‑电压量采集模块、I/V变换采集模块、PSOC处理器、频标输入输出模块、陀螺接口电路、存储器模块、隔离输入输出模块、处理器调试接口模块、时钟模块和电源模块。I/V变换采集模块将两个电路有序布置在一块整体区域，对该区域进行抗干扰设计，增加屏蔽罩对该区域进整体屏蔽，增强测量精度和可靠性；使外部输入的加速度计电流无须转换成脉冲，再对脉冲进行计数，处理器内再通过脉冲数量转换成实际加速度值，减少运算时间和精度损失；采用AD采集电路，将电流转换为电压即可以采集，减小体积和成本。

Description

一体化惯性导航数据采集及处理系统
技术领域
本发明涉及电数字数据处理技术领域，具体涉及一体化惯性导航数据采集及处理系统。
背景技术
目前的惯性导航系统中，惯性器件一般采用脉冲输出式激光陀螺和电流输出式石英加速度计组合体。在对惯性导航系统的陀螺和石英加速度计输出数据进行采集和处理时，需先使用IF转换电路将石英加速度计输出的电流信号转换为等比例的脉冲信号，此过程损失精度且转换电路的体积大；然后使用数据采集电路对陀螺脉冲及转换后的加速度计脉冲信号进行脉冲数采集和信号解调，同时对加速度计和陀螺温度进行采集；最后使用数据处理电路对获取的加速度计脉冲数据和陀螺脉冲数据进行数据运算处理，包括陀螺温补、加速度计温补、系统误差标定和导航运算。此过程需要三块板卡才能实现惯性导航系统的数据采集及处理，且每块板卡需要一个处理器，而板卡之间连接需要连接器，不仅增加了系统整体的体积和成本，还降低了电路连接的可靠性。
因此，目前亟需一种针对惯性导航的数据处理系统，能够减小系统体积，提高系统的精度和可靠性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一体化惯性导航数据采集及处理系统，能够减小系统体积和成本，提高系统的精度和可靠性。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案为：
一体化惯性导航数据采集及处理系统，包括PSOC处理器、温度量-电压量采集模块和I-V变换采集模块。
温度量-电压量采集模块用于采集温度量或电压量，传输到PSOC处理器中。I-V变换采集模块包括电阻和AD采集电路，外部输入的加速度计电流通过电阻转换为等比例电压信号，AD采集电路将等比例电压信号转换为数字信号，将数字信号传输到PSOC处理器的PL端。
PSOC处理器的PL端收到数字信号、温度量或电压量并传输给PS端；PS端对接收到PL端的数据进行运算处理，输出惯性导航系统所在载体的加速度。
进一步的，当PSOC处理器接收到温度量时，PS端根据温度量，反馈温补信号给I-V变换采集模块。
进一步的，温度量-电压量采集模块包括ADC芯片和模拟开关组，其中模拟开关组包括多路模拟开关；PSOC处理器发送ADC控制信号给温度量-电压量采集模块中的ADC芯片，ADC芯片根据ADC控制信号决定是否传输采集的温度量或电压量；PSOC处理器发送开关控制信号给模拟开关组，决定某一个模拟开关的通断；ADC芯片通过开关控制信号选择接通的模拟开关采集温度量或电压量，根据ADC控制信号决定是否将采集的温度量或电压量传输给PSOC处理器。
进一步的，系统还包括频标输入输出模块和时钟模块。
频标输入输出模块输出频标给PSOC处理器的PL端；时钟模块输出时钟信号给PSOC处理器的PL端；频标和时钟信号都用于控制PSOC处理器的PS端的计算周期；当外部抖动大于内部抖动的10%时，PSOC处理器采用时钟模块的时钟信号计算周期；当不大于10%时，选取频标输入输出模块的频标计算周期。
进一步的，系统还包括陀螺接口电路；陀螺接口电路记录频标的周期，发送给PSOC处理器的PL端。
进一步的，I-V变换采集模块中的电阻和AD采集电路有序布置在一块整体区域，并对该区域增加屏蔽罩。
进一步的，电阻为高精度低温漂电阻，AD采集电路为32位的高精度电路。
有益效果：
1、本发明提供了一体化惯性导航数据采集及处理系统，包括PSOC处理器、温度量-电压量采集模块和I-V变换采集模块。PSOC处理器的PL端收到数字信号、温度量或电压量并传输给PS端；PS端对接收到PL端的数据进行运算处理，输出惯性导航系统所在载体的加速度。PS端和PL端紧密地耦合在一起，相对于传统的CPU+FPGA两块芯片的解决方案，PSOC处理器将CPU和FPGA集成在一块芯片上，很大程度提升系统性能，使整体芯片面积更小，功耗更低。本发明中，I-V变换采集模块没有采用积分电路，采用电阻+AD采集电路，使外部输入的加速度计电流无须转换成脉冲，然后再对脉冲进行计数，处理器内再通过脉冲数量转换成实际加速度值，因此能减少了运算时间和精度损失。
2、本发明中，PSOC处理器的PS端根据温度量，反馈温补信号给I-V变换采集模块，减小温度对测量精度的影响，提高测量精度。
3、本发明中的电阻选用高精度电阻，温漂小，提高精度；本发明中的AD采集电路的配置为32位，精度高，转换速率比较快；两者相较于传统的积分电路，体积较小，成本较低。
4、本发明对I-V变换采集模块进行设计时，将电阻和AD采集电路有序布置在一块整体区域，对该区域进行抗干扰设计，增加屏蔽罩对该区域进整体屏蔽，增强测量精度和可靠性。
附图说明
图1为本发明系统的结构图。
图2为温度量和电压量采集模块与PSOC处理器的连接示意图。
图3为I/V变换采集模块与PSOC处理器的连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明提出一体化惯性导航数据采集及处理系统，包括温度量-电压量采集模块，I-V（电流-电压）变换采集模块、PSOC处理器（可编程化系统单芯片）、频标输入输出模块，陀螺接口电路，存储器模块、处理器调试接口模块，时钟模块和电源模块。
如图2所示，温度量-电压量采集模块包括模拟开关组和16位ADC芯片（模数转换器），用于采集温度量或电压量，并通过ADC芯片将采集量转换为数字信号，通过SPI（串行外设接口）数据接口传输到PSOC处理器中；模拟开关组包括多路模拟开关。PSOC处理器发送ADC控制信号给温度量-电压量采集模块中的ADC芯片，ADC芯片根据ADC控制信号决定是否传输采集的温度量或电压量；PSOC处理器发送开关控制信号给模拟开关组，决定某一个模拟开关的通断；ADC芯片通过开关控制信号选择接通的模拟开关采集温度量或电压量，根据ADC控制信号决定是否将采集的温度量或电压量传输给PSOC处理器。温度量-电压量采集模块的主要作用是，采集温度量和电压量，反馈给PSOC芯片，实时反映惯性导航系统的工作状态。本发明实施例中，温度量的浮动不超过85%，电压量的浮动不超过10%，视为正常状态。
本发明实施例中，温度量-电压量采集模块中设计有2路模拟开关，模拟开关输出分别接在ADC芯片的第1路和第2路输入端，连同ADC芯片的第3路-第6路输入，总共可以支持20路模拟量输入。1路模拟开关支持16路切换，输入支持±10V范围电压。ADC芯片支持最大6路模拟开关同时输入，转换速率不低于250Kbps，外部数据通讯接口为SPI接口，直接连接至处理器PL端。当模拟量通道数不足时，还可以将ADC的第3路-第6路输入端增加模拟开关芯片，来增加模拟量输入通道数，因此本系统支持不低于20路模拟输入采集。
如图3所示，I-V变换采集模块包括I-V电流电压变化电路和高精度AD采集电路，用于将外部输入的加速度计电流通过高精度AD采集电路，转换为等比例电压信号，并将等比例电压信号通过AD采集电路的SPI数据接口传输到PSOC处理器的PL端。
其中，I-V变换采集模块由电阻（电流-电压变化电路）和高精度ADC采集电路组成。惯性导航系统的加速度计电流通过高精度低温漂电阻转换为等比例电压信号，可通过高精度电阻的阻值调整输入电流信号的范围，当输入电流范围较大时可选取较小的电阻值，当输入电流较小时可选用较大电阻值，输入最大电流与选取电阻阻值的乘积不超过2.5V。高精度ADC对等比例电压信号进行AD转换，得到的数字信号直接通过SPI数据接口送入PSOC处理器。
本模块的设计使外部输入的加速度计电流无须转换成脉冲，然后再对脉冲进行计数，处理器内再通过脉冲数量转换成实际加速度值，减少了运算时间，也减小了精度损失。本模块采用AD采集电路，将电流转换为电压即可以采集，减小体积和成本；选用高精度电阻，温漂小，电压更精度；AD的配置为32位，精度高，转换速率比较快。
对I-V变换采集模块电路设计时，将两个电路有序布置在一块整体区域，对该区域进行抗干扰设计，增加屏蔽罩对该区域进整体屏蔽，增强测量精度和可靠性。具体到PCB布局时，三路I-V-电阻（XYZ）和高精度ADC采集电路应分别布局，PCB走线应尽量减少过孔和交叉，最后整体通过屏蔽罩进行屏蔽，三路之间通过地线进行隔离。
PSOC处理器的PL端采集数据，PS端接收到PL端的数据，对数据进行运算处理，从接口153输出惯性导航系统的处理数据（惯性导航系统的加速度）。
PSOC处理器采用全可编程的PSOC芯片，PSOC芯片集成了不少于两核的高性能处理器的处理器系统PS部分和可编程逻辑PL部分，通过PSOC芯片内部多个数据接口和众多互连控制信号，PS部分和PL部分可以紧密地耦合在一起。相对于传统的CPU+FPGA两块芯片的解决方案，该PSOC芯片将CPU和FPGA集成在一块芯片上，能很大程度提升系统性能，整体芯片面积更小，功耗更低。PSOC处理器的可编程逻辑PL部分用以采集温度量和电压量采集、接收I/V变换数据、处理频标输入输出数据、接收陀螺接口电路数据；PSOC处理器的PS部分用于数据运算和处理，计算并输出惯性导航系统所在载体的加速度。
频标输入输出模块由频标输入电路和频标输出电路组成。电路可接收不低于2KHz5V或3.3V差分输入信号，同时可输出不低于5ms周期的5V或3.3V差分输出信号。频标输入输出模块输出一个频标（相当于一个时钟信号），控制高精度ADC采集电路采集的周期，进而控制PSOC处理器导航运算的周期。
时钟模块由精度不低于1ppm的高精度温补时钟和处理器时钟组成。高精度温补时钟用于产生不低于2KHz的频标信号；处理器时钟用于为处理器提供程序运行的时钟信号，包括PS端运行需要的33.333MHz时钟和PL端运行需要的10MHz时钟信号。
本发明实施例中，当外部抖动大于内部抖动的10%时，PSOC处理器采用时钟模块的时钟信号；当不大于10%时，选取频标输入输出模块的频标。
陀螺接口电路由施密触发器和电平转换电路组成。施密特触发器有用输入陀螺脉冲信号的整形和滤波，电平转换电路将外部整形和滤波后的陀螺脉冲信号进行电平转换，转换为处理所需的3.3V接口电平。这里的陀螺接口电路用于记录频标的周期。
存储器模块可选择容量不低于256Mb的SPI FLASH（串行接口设备）存储器和容量不低于2Gb的32位DDR3（一种电脑存储器规格）存储器。SPI FLASH存储器用于存储系统的启动程序，系统程序、用户程序和非易失的数据，DDR3存储器用于存储程序运行过程中的临时数据。
由隔离供电和光耦组成，隔离供电为+5V隔离供电，光耦采用支持3.3V输出及5V供电芯片。该模块可以接收外部电平或脉冲信号，也可输出脉冲或电平信号，用于提供外界指令的输入输出口；输出时，检测运行状态（用灯来显示）；输入时，外界指令输入，控制烧写程序。
处理器调试接口模块设计由异步串行通讯串口和JTAG（联合测试工作组）接口组成，JTAG接口包括PL端调试接口和PS端调试接口。异步串行接口用于打印调试过程数据或处理器监测数据。
电源模块由四路输出电压可调的DC/DC（直流/直流）电源组成，用于为处理器和板上其他电路供电，提供每路输出能力不低于4A的+1.0V、+1.5V、+1.8V和+3.3V（PSOC需要的电压）电源。本发明实施例中，电源模块为LYM4644芯片，输入是5伏。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一体化惯性导航数据采集及处理系统，其特征在于，包括PSOC处理器、温度量-电压量采集模块和I-V变换采集模块；
温度量-电压量采集模块用于采集温度量或电压量，传输到PSOC处理器中；I-V变换采集模块包括电阻和AD采集电路，外部输入的加速度计电流通过电阻转换为等比例电压信号，AD采集电路将等比例电压信号转换为数字信号，将数字信号传输到PSOC处理器的PL端；
PSOC处理器的PL端收到数字信号、温度量或电压量并传输给PS端；PS端对接收到PL端的数据进行运算处理，输出惯性导航系统所在载体的加速度；
所述温度量-电压量采集模块包括ADC芯片和模拟开关组，其中模拟开关组包括多路模拟开关；PSOC处理器发送ADC控制信号给温度量-电压量采集模块中的ADC芯片，ADC芯片根据ADC控制信号决定是否传输采集的温度量或电压量；PSOC处理器发送开关控制信号给模拟开关组，决定某一个模拟开关的通断；ADC芯片通过开关控制信号选择接通的模拟开关采集温度量或电压量，根据ADC控制信号决定是否将采集的温度量或电压量传输给PSOC处理器；
系统还包括频标输入输出模块和时钟模块；
频标输入输出模块输出频标给PSOC处理器的PL端；时钟模块输出时钟信号给PSOC处理器的PL端；频标和时钟信号都用于控制PSOC处理器的PS端的计算周期；当外部抖动大于内部抖动的10%时，PSOC处理器采用时钟模块的时钟信号计算周期；当不大于10%时，选取频标输入输出模块的频标计算周期；
系统还包括陀螺接口电路；陀螺接口电路记录频标的周期，发送给PSOC处理器的PL端。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当PSOC处理器接收到温度量时，PS端根据温度量，反馈温补信号给I-V变换采集模块。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述I-V变换采集模块中的电阻和AD采集电路有序布置在一块整体区域，并对该区域增加屏蔽罩。
4.如权利要求1或3所述的系统，其特征在于，所述电阻为高精度低温漂电阻，AD采集电路为32位的高精度电路。
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