CN1945211A - 一种基于双dsp的集成化组合导航计算机 - Google Patents

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Abstract

一种基于双DSP的集成化组合导航计算机，用于惯性测量单元(1MU)和GPS组合的组合导航系统，主要包括输入接口模块、DSP1模块、DSP2模块以及输出接口模块。本发明采用DSP1模块实现传感器数据的预处理和时间同步，以保证数据在组合点上的精确同步；采用DSP2模块实现捷联解算和组合滤波。两DSP模块通过并行主机接口进行通讯，传输速度快，且传输过程不中断DSP2模块的运算，从而保证了系统实时性和导航解算精度。本发明实现了双DSP组合导航计算机的集成设计，减小了组合导航计算机的功耗、体积和重量，使得组合导航系统的性能大大提高。

Description

一种基于双DSP的集成化组合导航计算机
技术领域
本发明涉及一种基于双DSP的集成化组合导航计算机，属于组合导航领域，用于惯性和全球卫星定位系统(GPS)组合的组合导航系统，特别适合于对体积、功耗和性能要求苛刻的惯性测量单元(IMU)/GPS组合导航系统。
背景技术
随着科学技术的发展，目前已有各种适用于航行载体的导航系统，它们各自都有其优点和特色，但也有固有的不足之处。将载体上安装的几种导航系统组合起来(例如将惯性导航系统和GPS组合)，形成组合导航系统，取长补短，综合发挥各种导航系统特点，将能达到提高导航精度的目的。目前组合导航系统已广泛应用于航空、航天、航海以及许多民用领域，实践证明这是一种很有效的办法。因此，组合导航技术是目前导航技术发展的主要方向。
组合导航系统主要是通过组合导航算法来提高导航精度，组合导航算法是组合导航系统的核心。组合导航计算机是保证组合导航系统实时性和精度的关键部分，它主要完成数据采集、时间同步、组合导航算法和导航结果输出等功能。
传统的组合导航计算机大多为基于X86架构的专用计算机、通用计算机平台或工控机(PC104)等，它们体积大，功耗高，电路结构复杂，不适用于对体积、功耗要求严格的航空航天等应用领域。而目前基于嵌入式系统的组合导航计算机的设计，一般由单片机作为主机，完成系统相关的控制功能；由运算处理能力强大的单一处理器(如DSP)作为从机，完成信息处理功能。该方案多用于微惯性测量单元(MIMU)和GPS的组合导航系统，主机接收GPS数据，从机接收MIMU数据并进行捷联解算和组合滤波。但这种方案一般不考虑时间同步，所以导航精度低。虽然有的也采用了硬件同步方式进行数据同步，但硬件同步需要附加对IMU采样时刻进行控制的控制电路，不同的IMU所需的控制电路不同，因而采用硬件同步方式的组合导航计算机通用性差。因此，现有的基于嵌入式系统的组合导航计算机不适于数据处理量大、实时性要求非常苛刻的高精度组合导航领域。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有组合导航计算机的不足，提供一种体积小、功耗低、精度高、实时性好的基于双DSP的集成化组合导航计算机。
本发明的技术解决方案是：一种基于双DSP的集成化组合导航计算机，由输入接口模块、DSP1模块、DSP2模块和输出接口模块组成，DSP1模块通过输入接口模块接收IMU数据、IMU同步脉冲、GPS数据以及GPS秒脉冲，完成IMU数据和GPS数据的预处理和时间同步，并将同步后的数据传送到DSP2模块。DSP2模块接收到经时间同步后的IMU数据，进行捷联解算，当接收到预处理后的GPS数据时，则进行组合滤波和反馈校正。导航结果通过输出接口模块的串口1输出。输出接口模块的串口2与监控计算机相连，可实现对整个组合导航计算机的监控。
其中，DSP1模块采用一片TMS320F28XX定点DSP芯片作为处理器，通过软件同步的方法实现IMU数据和GPS数据的时间同步。DSP2模块采用一片TMS320C67XX浮点DSP芯片作为处理器，实现组合导航算法。输出接口模块由两个通用异步串口组成，其形式可为RS232、RS422或RS485。
而且，将DSP2模块处理器的程序存放在DSP1模块处理器片内具有密码保护功能的FLASH中，并且DSP2模块处理器采用HPI启动模式，可以实现组合导航算法的加密。
本发明的原理是：如附图2所示，组合导航计算机接收到IMU数据后，进行捷联解算。当接收到GPS数据后，与捷联解算的结果进行组合滤波，估计出导航参数误差，并通过反馈校正获得高精度的导航信息。
在设计组合滤波算法时，必须保证传感器数据在组合点上是一致的。也就是说必须解决不同导航子系统之间的实时数据同步问题，这样的组合导航系统才具有实际意义。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明分别利用了定点和浮点DSP处理器构建了双DSP的组合导航计算机，与现有组合导航系统普遍采用的基于X86构架的组合导航计算机和基于嵌入式系统的组合导航计算机相比具有以下优点：
(1)较传统的以基于X86构架的组合导航计算机而言，本发明实现了双DSP组合导航计算机的集成化设计，外围电路简单，使得本发明具有体积小、功耗低、结构简单、调试灵活方便等优点。
(2)较基于嵌入式系统的组合导航计算机而言，本发明采用DSP1模块进行数据同步，以保证数据在组合点上是一致的。同步后的数据通过并行接口输出给DSP2模块进行捷联解算和组合滤波，使得本发明可应用于处理数据量大、实时性要求苛刻的场合，且采用了软件同步方式，通用性好。
附图说明
图1为本发明的系统组成框图；
图2为IMU/GPS组合导航系统原理示意图。
图3为本发明的工作流程图；
图4为本发明的输入接口模块和DSP1模块电路框图；
图5为本发明实现软件同步的时序图；
图6为本发明的DSP2模块和输出接口模块电路框图；
图7为本发明的输出接口模块电路原理图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括输入接口模块1、DSP1模块2、DSP2模块3以及输出接口模块4，输入接口模块1与DSP1模块2相连，DSP1模块2通过并行主机接口与DSP2模块3的相连，DSP2模块3与输出接口模块4相连。
系统工作流程如图3所示，DSP1模块2通过输入接口模块1接收IMU数据、IMU同步脉冲、GPS数据以及GPS秒脉冲，完成IMU数据和GPS数据的预处理和时间同步，并将同步后的数据通过并行主机接口传送到DSP2模块3。DSP2模块3接收到经时间同步后的IMU数据，进行捷联解算。当接收到预处理后的GPS数据时，则进行组合滤波和反馈校正。导航结果由输出接口模块4的串口1输出。
本发明的输入接口模块和DSP1模块的电路框图如图4所示，其中，输入接口模块1包括一个RS422接口芯片MAX1490和一个RS232接口芯片MAX232(它们分别与DSP1模块2处理器片内的两个通用异步串口SCIA和SCIB相连)，以及两个脉冲输入接口(它们通过CPLD与DSP1模块2处理器的外部中断接口相连)。DSP1模块2采用TMS320F2812作为处理器，其片内资源丰富，带有两个串行通讯接口，并采用了复杂可编程逻辑器件(CPLD)XL9572进行逻辑与时序控制。DSP1模块2通过TMS320F2812的数据线、地址线和控制线与DSP2模块3连接。
本发明利用GPS秒脉冲和IMU同步脉冲以及定时器在DSP1模块2中实现了IMU数据和GPS数据的时间同步。软件同步时序如图5所示，由于GPS数据有延迟，第一个秒脉冲到来后，通过查询获得GPS的UTC时间。当第二个秒脉冲到来时，将上一时刻的UTC时间加1，得到当前UTC时间，并启动TMS320F2812的定时器。当IMU同步脉冲到来时，读取定时器当前计数值，并与当前UTC时间累加，可以将IMU数据的时间同步到UTC时间，从而实现数据的时间同步。
本发明的DSP2模块3采用TMS320C6713B作为处理器，其主频为300MHz时，运算速度可达2400MIPS，主要用来实现组合导航算法。DSP2模块3通过TMS320C6713B的16位HPI口与DSP1模块2连接，通过TMS320C6713B的EMIF接口与输出接口模块4相连。其电路框图如附图6所示。
本发明的输出接口模块4由一个一扩二的通用串口收发芯片TL16C752和相应的电平转换芯片MAX3488、MAX3232组成，分别扩展了RS422和RS232两个通用异步串口。其电路原理图如附图7所示。
本发明可以实现组合导航算法的加密。具体方法为：将TMS320C6713B中的组合导航程序存放在TMS320F2812片内具有密码保护功能的FLASH中，并且TMS320C6713B采用HPI启动模式。系统上电启动时，由TMS320F2812通过HPI口将存储在其片内FLASH中的程序下载到TMS320C6713B内部RAM，然后开始执行。
本发明可以作为一种适用于惯性/GPS组合导航系统的通用组合导航计算机，提供了足够的硬件资源。应用者可以根据其特殊的应用领域通过修改软件来灵活方便地实现其功能。

Claims (7)

1、一种基于双DSP的集成化组合导航计算机，其特征在于：由输入接口模块(1)、DSP1模块(2)、DSP2模块(3)和输出接口模块(4)组成，其中DSP1模块(2)通过输入接口模块(1)接收IMU数据、IMU同步脉冲、GPS数据以及GPS秒脉冲，完成IMU数据和GPS数据的预处理和时间同步，并将同步后的数据传送到DSP2模块(3)，DSP2模块(3)接收到经时间同步后的IMU数据，进行捷联解算，当接收到预处理后的GPS数据时，则进行组合滤波和反馈校正；导航结果通过输出接口模块(4)的串口1输出。
2、根据权利要求1所述的基于双DSP的集成化组合导航计算机，其特征在于：所述的输出接口模块(4)的串口2与监控计算机相连，实现对整个组合导航计算机的监控。
3、根据权利要求1所述的基于双DSP的集成化组合导航计算机，其特征在于：所述的DSP1模块(2)采用一片TMS320F28XX定点DSP芯片作为处理器，通过软件同步的方法实现IMU数据和GPS数据的时间同步。
4、根据权利要求1所述的基于双DSP的集成化组合导航计算机，其特征在于：所述的DSP2模块(3)采用一片TMS320C67XX浮点DSP芯片作为处理器，实现组合导航算法。
5、根据权利要求1所述的基于双DSP的集成化组合导航计算机，其特征在于：所述的输出接口模块(4)由两个通用异步串口组成，其形式可为RS232、RS422或RS485。
6、根据权利要求1所述的基于双DSP的集成化组合导航计算机，其特征在于：将所述的DSP2模块(3)处理器的程序存放在DSP1模块(2)处理器片内具有密码保护功能的FLASH中，并且DSP2模块(3)处理器采用HPI启动模式，可以实现组合导航算法的加密。
7、根据权利要求1或3所述的基于双DSP的集成化组合导航计算机，其特征在于：所述的时间同步方法为：由于GPS数据有延迟，第一个秒脉冲到来后，通过查询获得GPS的UTC时间；当第二个秒脉冲到来时，将上一时刻的UTC时间加1，得到当前UTC时间，并启动DSP1模块(2)的定时器，当IMU同步脉冲到来时，读取定时器当前计数值，并与当前UTC时间累加，将IMU数据的时间同步到UTC时间，从而实现数据的时间同步。
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