基于DSP的車載導航系統(tǒng)硬件電路設計與實現

摘要 為解決車輛在行駛中對交通信息的了解，文中針對車載導航系統(tǒng)功能需求，設計了基于DSP芯片的車載導航系統(tǒng)，提出了一種基于TMS3 20C6713B的DSP處理器車載導航系統(tǒng)設計方案，介紹了系統(tǒng)的硬件設計和實現方法。該系統(tǒng)具有結構簡單、可靠性高、維護方便，且有較好地繼承性等特點。

數字信號微處理器DSP具有高速運行與數據處理的功能，以其高性能和低功耗的優(yōu)勢為實時導航系統(tǒng)的數學計算提供了有效的硬件平臺。在現代武器裝備中，設計了基于DSP芯片的車載導航系統(tǒng)，其在民用和軍事領域均發(fā)揮著重要作用，系統(tǒng)具有高可靠性、安全性等特點。

1 車載導航系統(tǒng)工作原理

車載導航系統(tǒng)的主要功能是定時采集陀螺正交編碼信號、加速度計的輸入和里程計輸入信號，并對采集的數據進行必要的處理，以實現導航解算。同時將采集數據通過RS422總線和CAN總線發(fā)送至地面監(jiān)測設備;并通過RS422總線接收相關的命令及參數。該系統(tǒng)結構如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 處理器及存儲器設計

車載導航系統(tǒng)電路采用TI公司的TMS320C6713B-A200作為DSP，該DSP芯片標稱主頻為200 MHz，工作在160 MHz主頻時DSP處理能力為1600 MI·s-1/1 200MFLOPS。使用40 MHz的晶振作為DSP的時鐘輸入，經內部鎖相環(huán)倍頻后作為DSP工作的時鐘，使用一片TPS70345電壓調整器為其提供3.3 V的IO電壓和1.2 V的內核電壓;采用一片容量為16 MB的MT48LC4M3282TG-7IT芯片作為SDRAM的存儲器，存儲器直接接入DSP的EMIF總線上，SDRAM芯片的地址線BA1、BA0和A11～A0接DSP芯片的EA15～EA2，數據線D31～D0接ED31～ED0。FlashRom芯片的地址線A22～A0接DSP芯片的GP13～CP11和EA21～EA2，數據線DQ15～DQ0，接ED15～ED0，初始化時GP13～GP13個引腳的狀態(tài)為高，SDRAM芯片的片選信號接DSP芯片的CE0;采用一片容量為16 MB的S29GL128N10TFIR1芯片為FlashRom存儲器，FlashRom芯片的片選信號接DSP芯片的CE1。之所以DSP芯片的CE1接到FlashRom的片選上，是因其引導方式采用從ROM加載，BOOT程序存放在FlashRom存儲器中。存儲器的讀寫信號均接到DSP芯片的AWE信號上。DSP通過EMIF總線接口訪問外部存儲器，可通過操作寄存器控制對外部存儲器的訪問，簡化了電路的設計。

2.2 電源設計

車載導航系統(tǒng)輸入電源為27±9 V，經MHF+28515將24 V轉換為+15 V和+5 V的電壓，MHF+28515的輸入電壓范圍為16～48 V，輸出功率15 W，其中+5 V電壓輸出最大功率為7.5 W，電流1 500 mA，+15 V電壓輸出功率最大分別為5 W，電路330 mA。由于車載導航系統(tǒng)電路自身+5 V電源使用的電流約為1000 mA，所以能提供+5 V，電流>140 mA的輸出給外部使用，為滿足系統(tǒng)中各部件的供電要求，設計了車載導航系統(tǒng)供電系統(tǒng)。

MHF+28515輸出的+5 V電源為整個模塊提供數字電源，其中CAN總線協(xié)議芯片等部分+5 V工作的芯片直接使用該電源;其他電路使用經轉換后的電源其處理方法包括：通過電壓調整器TPS70345將+5 V電源轉換成3.3 V和1.2 V電源，其中3.3 V供DSP外圍電路及SDRAM、Flash等芯片使用，1.2 V供DSP內核使用;通過電壓調整器TPS70351將+5 V電源轉換成3.3 V和1.8 V電壓，其中3.3 V供FPGA外圍電路、光耦等芯片使用，1.8 V供FPGA內核使用;通過兩個DC/DC模塊NKE0503將+5 V電源轉換成3.3 V電壓，一個供RS422隔離電路中的MAX3490及光耦使用，另一個供RS232隔離電路中的MAX3232及光耦使用。通過一個DC/DC模塊NME0505將+5 V電源進行隔離，供MAX481、CAN總線收發(fā)器和其通路上的光耦使用。MHF+28515輸出的±15 V電源為整個模塊提供模擬電源，其中+15 V電壓通過三端穩(wěn)壓器JW78M05將電壓轉換成+5 V模擬電壓，供LM3940IMP和REF196使用;+5 V模擬電壓通過LM3940IMP轉換成3.3 V模擬電壓，為運放供電;+5 V模擬電壓通過REF196轉換成3.3 V模擬電壓，為電橋供電;+15 V和-15 V電壓則是為運放OP497供電。

2.3 輸入信號

車載導航系統(tǒng)電路輸入信號有3路加速度計信號、3路陀螺信號、兩路里程計信號、兩路標頻信號、一路行車狀態(tài)信號、9路狀態(tài)檢測信號和10路測溫信號。

加速度計信號的信號形式為可逆脈沖，幅值TTL，滿量程為256 kHz，經3路16位計數器計數，上升沿觸發(fā)，中斷5鎖存，加速度計信號采用RC濾波和帶施密特觸發(fā)輸入的反向器進行整形處理，然后通過74LVC244進行電平轉換后引入FPGA中。

陀螺信號的信號形式為正交編碼信號，幅值高電平4～5 V，低電平0～0.8 V，電流≤8 mA，頻率≤1.5 MHz，相位差90°±20°，經3路16位計數器計數，上升沿觸發(fā)，中斷5鎖存，陀螺信號也與加速度計信號相同，進行整形處理。而標頻信號頻率為128 kHz，幅值TTL，也信

號需整形。因此，標頻信號的處理形式和加速度計信號處理方法相同。

里程計信號包括兩路里程計信號、1路行車狀態(tài)信號和1路里程計地，幅值12 V，驅動能力30 mA，需光耦隔離，設置兩個16位計數器和1位狀態(tài)寄存器，分別記錄里程計脈沖輸入和狀態(tài)信息，里程計脈沖上升沿觸發(fā)計數，中斷5鎖存;要求行車狀態(tài)信號State可用命令使能和禁止，使能狀態(tài)下當State=1時，里程計信號加法計數;當State=0時，減法計數;禁止狀態(tài)下里程計信號加法計數，里程計信號先經RC濾波電路和保護二極管，然后經光隔進入FPGA。

狀態(tài)檢測信號包括3路跳模檢測信號、3路高壓狀態(tài)信號和3路機抖狀態(tài)信號，信號形式均為開關量，幅值為TTL，機抖狀態(tài)信號和高壓狀態(tài)信號需光耦隔離。跳模檢測信號處理形式和參數選擇與加速度計信號相同;高壓狀態(tài)信號和機抖檢測信號處理形式則與陀螺信號一致。

測溫信號包括10路測溫電阻輸入和1路測溫電阻輸入公共端，溫度范圍在-45～+70℃，測溫電阻與模塊上3個高精度電阻組成電橋，按照電橋工作原理，橋臂電阻的阻值應小于測溫電阻的最小值，并應當考慮一定的冗余，溫度系數的計算公式為R0×3.85×10-3，其中R0是0℃電阻，由于采用了高精度電阻和12位的AD，A/D轉換精度>0.5 ℃，可用多路開關實現。電橋兩臂中點分別接入運算放大器進行跟隨處理，再經后級放大后由A/D轉換芯片采集溫度測試結果，A/D轉換芯片采用串行接口芯片，與DSP的McBSP1接口連接，該芯片分辨率為12位，并具有10 μs的轉換時間及最大11路的A/D輸入。

在車載導航系統(tǒng)電路設計中采用了CAN總線設計。CAN總線獨立控制器采用SJA1000T，使用16 MHz晶振作為時鐘輸入，可通過軟件配置ID號和數據傳輸波特率，最大速率為1 Mbit·s-1。其總線控制器使用數據地址復用總線，經FPGA轉換后與DSPEMIF總線連接。CAN總線控制器信號采用TTL電平(5 V)，與信號為3.3 V電平的FPGA之間需使用SN74LVC4245作電平轉換。CAN總線接收器采用Philips Semiconductors公司PCA82C250。其總線控制器與收發(fā)器之間的數據傳輸信號采用光耦進行隔離。CAN總線接口電路如圖2所示。

2.4 FPGA設計

車載導航系統(tǒng)電路采用FPGA處理模塊上控制邏輯、各輸入信號的計數及實現串行接口通訊協(xié)議。FPGA對輸入信號進行計數，并對標頻信號分頻產生中斷5信號，產生中斷5信號的同時對各計數器值進行鎖存。DSP可通過EMIF總線訪問FPGA的內部資源，地址空間占用EMIF總線的CE2。FPGA的加載模式為主控串行模式(Master Serial Mode)，FPGA功能框圖如圖3所示。FPGA設計包括加速度計信號計數器設計、陀螺信號計數器設計、里程計信號計數器設計、陀螺合頻計數器設計、標頻分頻器設計、狀態(tài)檢測、故障檢測信號和串行通訊接口設計。

加速度計信號輸入為可逆脈沖，每個通道加速度計輸入包括3路信號，分別是+A、-A和GND，按照設計要求，+A信號上有脈沖時計數值增加，-A信號上有脈沖時計數值減少，當頻標分頻中斷產生時，將計數結果存入鎖存器內。在FPGA中設計了16位的計數器，上電復位計數器為0，+A信號上有脈沖時計數值加1，-A信號上有脈沖時計數值減1，當頻標分頻中斷產生時，將計數結果存入鎖存器內，DSP可通過EMIF訪問鎖存器得到加速度計信號計數器的結果。

陀螺信號輸入形式為正交編碼信號，每個通道陀螺信號輸入包括3路信號，分別是A、B和DGND，當A相超前B相90°時計數值增加，當A相落后B相90°時計數值減少。在設計時輸入信號先經過鑒相電路，識別A路和B路信號的相位先后，并產生兩路4倍頻的可逆脈沖信號，然后對可逆脈沖進行計數，當標頻信號中斷產生時，將計數結果存入鎖存器內。

里程計信號包括兩路計數輸入和一路行車狀態(tài)信號輸入，計數輸入每路使用一個16 bit計數器，當中斷產生時將計數器數值存入鎖存器;行車狀態(tài)信號(STATE)上電初始為無效狀態(tài)，用戶通過命令設置STATE狀態(tài)是否有效。其STATE信號處于有效狀態(tài)時，STATE為1，里程計計數器遞增計數;若STATE為0時，里程計計數器遞減計數;而當STATE信號處于無效狀態(tài)時，里程計計數器遞增計數。

在FPGA中設計了16位計數器，上電復位計數器為0，計數器的值均增加，而計數器均加1，當頻標分頻中斷產生時，將計數結果存入鎖存器內。DSP可通過EMIF訪問鎖存器得到陀螺合頻計數器的結果。

標頻分頻器用來將標頻信號分頻，產生鎖存FPGA內加速度計數器、陀螺計數器、里程計計數器的計數值以及狀態(tài)檢測信號的狀態(tài)中斷信號。在FPGA中標頻分頻器由一個預定標器和一個計數器組成，可由軟件編程設置分頻，DSP通過EMIF總線向預定標器寫入需分頻的數值，計數器記錄頻標脈沖的個數，計數至定標值時計數器輸出并清零，而計數器輸出至DSP的中斷，同時鎖存FPGA內加速度計數器、陀螺計數器、里程計計數器的計數值以及狀態(tài)檢測信號的狀態(tài)。

狀態(tài)檢測信號為開關量信號，狀態(tài)存放在一個地址中，每一位代表一路的狀態(tài)。在FPGA中設計一個16位的寄存器，存放行車狀態(tài)、高壓檢測信號狀態(tài)、機抖檢測信號狀態(tài)及跳模檢測信號狀態(tài)，并在中斷時將信號鎖存到鎖存器中。

故障檢測信號是通過一個地址寫入故障檢測向量，根據故障檢測向量每一位具體是0或1，由可編程邏輯器件將故障檢測向量自動設置輸出引腳。在FPGA中設置一個8位的存儲器，用于存放故障檢測向量，信號經驅動后輸出。

FPGA內部設計了串行協(xié)議模塊，經外接電路組成RS232和RS422串行接口。集成協(xié)議芯片參照ST16C2552進行設計，對其MODEM控制等功能進行了裁減。而串行接口工作波特率也均可設置。

3 結束語

文中介紹了基于DSP的車載導航系統(tǒng)，給出了硬件電路設計。其具有結構簡單、可靠性高、維護方便，能提高系統(tǒng)整體性能和性價比，且有較好的繼承性等特點。實踐證明該硬件電路可靠，為車載導航領域的硬件設計提供了參考。