GPS信號中斷時慣導(dǎo)芯片的位置信息感知系統(tǒng)設(shè)計

摘要：基于慣性導(dǎo)航芯片ADIS16003，在GPS信號中斷的情況下，詳細設(shè)計和驗證了模擬GPS系統(tǒng)，實現(xiàn)了移動物體當(dāng)前GPS信息的推算。系統(tǒng)采用FPGA驅(qū)動ADIS16003的SPI接口，依靠慣導(dǎo)原理獲取移動物體實時加速度，并以外部中斷方式通知DSP從EMIF接口讀取。DSP利用信號中斷前的有效GPS信息，通過相關(guān)位置檢測算法，計算出GPS經(jīng)緯度信息，由HPI接口上報高層，保證了移動物體全天候位置感知能力，已在某大型通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：FPGA；SPI；ADIS16003；慣性導(dǎo)航；EMIF

引言
    當(dāng)今社會，GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)早已廣泛應(yīng)用于人們的社會生活中，如交通工具導(dǎo)航、個人定位服務(wù)等。但在某些情況下，由于物體遮蔽、散射等原因，我們無法實時接收到GPS衛(wèi)星信號(比如列車進入隧道)。所以有必要研究在GPS信息缺失的情況下，如何通過一定的算法產(chǎn)生
模擬GPS信息，從而實現(xiàn)全天候的無縫位置感知。這在某些對位置信息敏感的場合中就顯得非常急迫和重要。

1 慣導(dǎo)芯片簡介
    ADIS16003是ADI公司的一款低成本、低功耗，具有SPI接口的雙軸加速度計，屬MEMS傳感器件。它可以測量動態(tài)和靜態(tài)加速度并以數(shù)字量輸出，測量范圍最小可以達到±1．7 g，同時還集成了溫度傳感器，可用于慣性導(dǎo)航、振動檢測和穩(wěn)定性測試等場合中。
    SPI是串行外圍設(shè)備接口，是Motorola公司首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的。目前已廣泛應(yīng)用在EEPROM、Flash、實時時鐘、A／D轉(zhuǎn)換器以及數(shù)字信號處理器和數(shù)字信號解碼器之間，是一種高速的全雙工同步通信總線。SPI通信只需要4根線，分別為SDI(數(shù)據(jù)輸入)、SDO(數(shù)據(jù)輸出)、SCK(時鐘)和CS(片選)。通信是通過數(shù)據(jù)交換的方式完成的。SPI接口使用串行通信協(xié)議，由SCK提供時鐘脈沖，SDI、SDO則基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)輸出通過SDO線，數(shù)據(jù)在時鐘上升沿或下降沿時改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取，完成一位數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)輸入也使用同樣的原理。

    ADIS16003的SPI接口通信時序及控制寄存器配置如圖1、圖2所示。其中，常用控制字為00000100和00001100，分別表示以正常模式采集X軸和Y軸雙軸軸向加速度。[!--empirenews.page--]

2 系統(tǒng)工作原理及主要控制信號說明
    本文研究了如何在移動端GPS信息缺失的情況下，使用SPI協(xié)議建立FPGA與慣導(dǎo)芯片ADIS16003之間的通信，從而獲取移動物體當(dāng)前的加速度。DSP將通過EMIF接口讀取此加速度，并根據(jù)之前有效的GPS信息推算出當(dāng)前的概略GPS信息(經(jīng)緯度、速度和時間等)。
2．1 工作原理
    FPGA驅(qū)動ADIS16003慣導(dǎo)芯片工作包括初始啟動和正常啟動兩種模式。
    (1)初始啟動模式
    FPGA上電復(fù)位時自啟動ADIS16003芯片，配置ADIS16003控制寄存器，并讀取芯片測得的雙軸軸向加速度初始值，存儲到EMIF接口的0x068～0x069地址空間供DSP讀取，用作誤差校正之用(此模式工作在移動端處于靜止?fàn)顟B(tài)時，且此模式僅由DSP讀取1次)。
    (2)正常啟動模式
    初始啟動模式完成之后，F(xiàn)PGA將自動轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)采集階段，源源不斷地通過SPI接口從ADIS16003芯片中采集雙軸軸向瞬時加速度，以備DSP使用。加速度每秒采集8次，每隔0．125 s采集一次。每秒都將得到8組結(jié)果，分別為ax0ay0、ax1ay1、ay2ay2、ax3ay3、ax4ay4、ax5ay5、ax6ay6和ax7ay7，存儲于FGPA內(nèi)部的8個中間寄存器單元reg0～reg7(非EMIF接口，每個輸出結(jié)果為12×2位，存儲于32位的寄存器組中)，并隨著時間的推移不斷地刷新。這么做的目的是確保這8個寄存器組中始終保存有最近1 s的移動物體加速度信息，以保證加速度信息的準(zhǔn)確性和有效性。當(dāng)CPU通過GPS接收天線檢測到GPS信息丟失時，CPU通過PCI接口給FPGA配入spi_cmd_val信號(高電平有效)，同時通過HPI接口給
DSP寫入信息丟失前2 s的GPS信息(包括經(jīng)緯度、速度和時間)，作為定位基點。FPGA檢測到spi_cmd_val信號有效后，立即將中間寄存器單元reg0～reg7中存儲的瞬時加速度送入EMIF接口的0x060～0x067地址單元(32位)，同時拉高int_spi_done信號，產(chǎn)生外部中斷(拉低DSP的引腳)通知DSP從EMIF接口讀取加速度信息，并通過后續(xù)軟件算法進行信號處理，轉(zhuǎn)化為移動端經(jīng)緯度信息。再通過DSP的HPI接口上報給CPU，從而使高層獲取移動端當(dāng)前GPS信息，即完成了GPS位置信息的模擬。加速度存儲格式如表1所列。其中包括初始和瞬時加速度值，共占用32位EMIF接口10個地址單元。

2．2 主要控制信號說明
    ①spi_cmd_data：ADIS16003芯片控制字(寄存器)，8位，F(xiàn)PGA配入。
    ②spi_cmd_val：GPS信號缺失時ADIS16003啟動信號，CPU發(fā)出，脈沖觸發(fā)。
    ③spi_cmd_val_reg：ADIS16003啟動信號寄存器，及時存儲觸發(fā)脈沖，持續(xù)一個時鐘后清0。
    ④spi_data_i：ADIS16003串行輸出信號，包括雙軸軸向加速度，每個spi_clk時鐘下降沿輸出一位，16個時鐘周期完成一次運算。
    ⑤spi_cs：SPI片選信號，低電平有效。
    ⑥spi_clk：SPI通信時鐘信號，由主時鐘分頻得到，此處進行32分頻。
    ⑦spi_data_o：ADIS16003控制字輸入信號，8位串行輸出，spi_clk時鐘上升沿動作。
    ⑧spi_rdata：ADIS16003運算結(jié)果，12位，每個spi_clk下降沿輸出一位，采取移位拼接方式(向左移)，在第16個時鐘下降沿輸出一次完整的采集結(jié)果(每次采集至少需要16個時鐘周期)。
    ⑨spi_state：SPI工作狀態(tài)信號，0為IDLE，1為BUSY，2為DONE，采用有限狀態(tài)機進行設(shè)計。
    ⑩spi_wr_cnt_o、spi_wr_cnt_i：十六進制計數(shù)器，時鐘上升沿和下降沿分別計數(shù)。[!--empirenews.page--]
    整個系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

2．3 DSP后續(xù)軟件處理流程
    DSP后續(xù)軟件處理流程如圖4所示。DSP在CCS 3．3軟件環(huán)境下計算完成。此處的基點(basepoint)是指最接近GPS信號消失前的具有有效GPS信息的移動物體位置，即GPS消失前2 s的移動端GPS信息(每秒測量1次)。角度計算是指DSP將距離信息轉(zhuǎn)換為GPS經(jīng)緯度信息。

3 程序?qū)崿F(xiàn)及功能仿真
3．1 芯片資源
    本系統(tǒng)采用的FPGA芯片為Cyclone III系列的EP3C120F80C7器件，DSP芯片為TMS320VC5510，慣導(dǎo)芯片采用ADIS16003。各芯片接口和主要信號流向示意圖如圖5所示，包括PCI、SPI、EMIF和HPI等主要外設(shè)接口。

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3．2 軟件功能仿真
    本系統(tǒng)的底層SPI通信部分使用FPGA進行驅(qū)動，采用Verilog HDL語言編寫程序，并在Quartus 10．1集成環(huán)境下進行功能仿真驗證，如圖6所示。結(jié)果顯示，數(shù)據(jù)采集符合設(shè)計邏輯，當(dāng)所有數(shù)據(jù)采集完成一次之后立即送出中斷信號觸發(fā)DSP讀取。

4 測試結(jié)果
    利用Signal Tap II Logic Analyzer在線邏輯分析儀進行板上硬件實際調(diào)試，圖7為SignalTap加速度在線采集實測波形。測試結(jié)果顯示數(shù)據(jù)采集和處理符合芯片時序要求；FPGA與DSP的EMIF接口配合良好，經(jīng)過后續(xù)DSP軟件算法處理后能成功推算出移動物體當(dāng)前的GPS信息，及時上報CPU(每秒1 s)。其中SPI總線通信時鐘為1．4 MHz。經(jīng)過測試，系統(tǒng)完全能夠達到設(shè)計要求，已在某大型通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

結(jié)語
    通過本系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試過程可以看出，使用FPGA作為物理層驅(qū)動具有SPI接口的數(shù)字芯片是簡單而有效的一種數(shù)字設(shè)計方案，可以較容易地滿足芯片的時序要求。通過與EMIF接口的配合還可以很好地利用DSP芯片完成眾多嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計。