一種基于DSP處理器的車載導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

數(shù)字信號(hào)微處理器DSP具有高速運(yùn)行與數(shù)據(jù)處理的功能，以其高性能和低功耗的優(yōu)勢(shì)為實(shí)時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)學(xué)計(jì)算提供了有效的硬件平臺(tái)。在現(xiàn)代武器裝備中，設(shè)計(jì)了基于DSP芯片的車載導(dǎo)航系統(tǒng)，其在民用和軍事領(lǐng)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(diǎn)。

1 車載導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理

車載導(dǎo)航系統(tǒng)的主要功能是定時(shí)采集陀螺正交編碼信號(hào)、加速度計(jì)的輸入和里程計(jì)輸入信號(hào)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航解算。同時(shí)將采集數(shù)據(jù)通過RS422總線和CAN總線發(fā)送至地面監(jiān)測(cè)設(shè)備;并通過RS422總線接收相關(guān)的命令及參數(shù)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 處理器及存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

車載導(dǎo)航系統(tǒng)電路采用TI公司的TMS320C6713B-A200作為DSP，該DSP芯片標(biāo)稱主頻為200 MHz，工作在160 MHz主頻時(shí)DSP處理能力為1600 MI·s-1/1 200MFLOPS。使用40 MHz的晶振作為DSP的時(shí)鐘輸入，經(jīng)內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻后作為DSP工作的時(shí)鐘，使用一片TPS70345電壓調(diào)整器為其提供3.3 V的IO電壓和1.2 V的內(nèi)核電壓;采用一片容量為16 MB的MT48LC4M3282TG-7IT芯片作為SDRAM的存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)線DQ15～DQ0，接ED15～ED0，初始化時(shí)GP13～GP13個(gè)引腳的狀態(tài)為高，SDRAM芯片的片選信號(hào)接DSP芯片的CE0;采用一片容量為16 MB的S29GL128N10TFIR1芯片為FlashRom存儲(chǔ)器，F(xiàn)lashRom芯片的片選信號(hào)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(dǎo)方式采用從ROM加載，BOOT程序存放在FlashRom存儲(chǔ)器中。存儲(chǔ)器的讀寫信號(hào)均接到DSP芯片的 AWE信號(hào)上。DSP通過EMIF總線接口訪問外部存儲(chǔ)器，可通過操作寄存器控制對(duì)外部存儲(chǔ)器的訪問，簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)。

2.2 電源設(shè)計(jì)

車載導(dǎo)航系統(tǒng)輸入電源為27±9 V，經(jīng)MHF+28515將24 V轉(zhuǎn)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(dǎo)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(shè)計(jì)了車載導(dǎo)航系統(tǒng)供電系統(tǒng)。

MHF+28515輸出的+5 V電源為整個(gè)模塊提供數(shù)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(jīng)轉(zhuǎn)換后的電源其處理方法包括：通過電壓調(diào)整器TPS70345將+5 V電源轉(zhuǎn)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(nèi)核使用;通過電壓調(diào)整器TPS70351將+5 V電源轉(zhuǎn)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(nèi)核使用;通過兩個(gè)DC/DC模塊NKE0503將+5 V電源轉(zhuǎn)換成3.3 V電壓，一個(gè)供RS422隔離電路中的MAX3490及光耦使用，另一個(gè)供RS232隔離電路中的MAX3232及光耦使用。通過一個(gè)DC/DC模塊 NME0505將+5 V電源進(jìn)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(gè)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(zhuǎn)換成+5 V模擬電壓，供LM3940IMP和REF196使用;+5 V模擬電壓通過LM3940IMP轉(zhuǎn)換成3.3 V模擬電壓，為運(yùn)放供電;+5 V模擬電壓通過REF196轉(zhuǎn)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(yùn)放OP497供電。

2.3 輸入信號(hào)

車載導(dǎo)航系統(tǒng)電路輸入信號(hào)有3路加速度計(jì)信號(hào)、3路陀螺信號(hào)、兩路里程計(jì)信號(hào)、兩路標(biāo)頻信號(hào)、一路行車狀態(tài)信號(hào)、9路狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)和10路測(cè)溫信號(hào)。

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

陀螺信號(hào)的信號(hào)形式為正交編碼信號(hào)，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(jīng)3路16位計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，上升沿觸發(fā)，中斷5鎖存，陀螺信號(hào)也與加速度計(jì)信號(hào)相同，進(jìn)行整形處理。而標(biāo)頻信號(hào)頻率為128 kHz，幅值TTL，也信

號(hào)需整形。因此，標(biāo)頻信號(hào)的處理形式和加速度計(jì)信號(hào)處理方法相同。

里程計(jì)信號(hào)包括兩路里程計(jì)信號(hào)、1路行車狀態(tài)信號(hào)和1路里程計(jì)地，幅值12 V，驅(qū)動(dòng)能力30 mA，需光耦隔離，設(shè)置兩個(gè)16位計(jì)數(shù)器和1位狀態(tài)寄存器，分別記錄里程計(jì)脈沖輸入和狀態(tài)信息，里程計(jì)脈沖上升沿觸發(fā)計(jì)數(shù)，中斷5鎖存;要求行車狀態(tài)信號(hào) State可用命令使能和禁止，使能狀態(tài)下當(dāng)State=1時(shí)，里程計(jì)信號(hào)加法計(jì)數(shù);當(dāng)State=0時(shí)，減法計(jì)數(shù);禁止?fàn)顟B(tài)下里程計(jì)信號(hào)加法計(jì)數(shù)，里程計(jì)信號(hào)先經(jīng)RC濾波電路和保護(hù)二極管，然后經(jīng)光隔進(jìn)入FPGA。

狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)包括3路跳模檢測(cè)信號(hào)、3路高壓狀態(tài)信號(hào)和3路機(jī)抖狀態(tài)信號(hào)，信號(hào)形式均為開關(guān)量，幅值為TTL，機(jī)抖狀態(tài)信號(hào)和高壓狀態(tài)信號(hào)需光耦隔離。跳模檢測(cè)信號(hào)處理形式和參數(shù)選擇與加速度計(jì)信號(hào)相同;高壓狀態(tài)信號(hào)和機(jī)抖檢測(cè)信號(hào)處理形式則與陀螺信號(hào)一致。

測(cè)溫信號(hào)包括10路測(cè)溫電阻輸入和1路測(cè)溫電阻輸入公共端，溫度范圍在-45～+70℃，測(cè)溫電阻與模塊上3個(gè)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(yīng)小于測(cè)溫電阻的最小值，并應(yīng)當(dāng)考慮一定的冗余，溫度系數(shù)的計(jì)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(zhuǎn)換精度>0.5 ℃，可用多路開關(guān)實(shí)現(xiàn)。電橋兩臂中點(diǎn)分別接入運(yùn)算放大器進(jìn)行跟隨處理，再經(jīng)后級(jí)放大后由A/D轉(zhuǎn)換芯片采集溫度測(cè)試結(jié)果，A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換時(shí)間及最大11路的A/D輸入。

在車載導(dǎo)航系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中采用了CAN總線設(shè)計(jì)。CAN總線獨(dú)立控制器采用SJA1000T，使用16 MHz晶振作為時(shí)鐘輸入，可通過軟件配置ID號(hào)和數(shù)據(jù)傳輸波特率，最大速率為1 Mbit·s-1。其總線控制器使用數(shù)據(jù)地址復(fù)用總線，經(jīng)FPGA轉(zhuǎn)換后與DSPEMIF總線連接。CAN總線控制器信號(hào)采用TTL電平(5 V)，與信號(hào)為3.3 V電平的FPGA之間需使用SN74LVC4245作電平轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)傳輸信號(hào)采用光耦進(jìn)行隔離。CAN總線接口電路如圖2所示。[!--empirenews.page--]

2.4 FPGA設(shè)計(jì)

車載導(dǎo)航系統(tǒng)電路采用FPGA處理模塊上控制邏輯、各輸入信號(hào)的計(jì)數(shù)及實(shí)現(xiàn)串行接口通訊協(xié)議。FPGA對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并對(duì)標(biāo)頻信號(hào)分頻產(chǎn)生中斷 5信號(hào)，產(chǎn)生中斷5信號(hào)的同時(shí)對(duì)各計(jì)數(shù)器值進(jìn)行鎖存。DSP可通過EMIF總線訪問FPGA的內(nèi)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)，F(xiàn)PGA功能框圖如圖3所示。FPGA設(shè)計(jì)包括加速度計(jì)信號(hào)計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)、陀螺信號(hào)計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)、里程計(jì)信號(hào)計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)、陀螺合頻計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)、標(biāo)頻分頻器設(shè)計(jì)、狀態(tài)檢測(cè)、故障檢測(cè)信號(hào)和串行通訊接口設(shè)計(jì)。

加速度計(jì)信號(hào)輸入為可逆脈沖，每個(gè)通道加速度計(jì)輸入包括3路信號(hào)，分別是+A、-A和GND，按照設(shè)計(jì)要求，+A信號(hào)上有脈沖時(shí)計(jì)數(shù)值增加，-A信號(hào)上有脈沖時(shí)計(jì)數(shù)值減少，當(dāng)頻標(biāo)分頻中斷產(chǎn)生時(shí)，將計(jì)數(shù)結(jié)果存入鎖存器內(nèi)。在FPGA中設(shè)計(jì)了16位的計(jì)數(shù)器，上電復(fù)位計(jì)數(shù)器為0，+A信號(hào)上有脈沖時(shí)計(jì)數(shù)值加1，-A信號(hào)上有脈沖時(shí)計(jì)數(shù)值減1，當(dāng)頻標(biāo)分頻中斷產(chǎn)生時(shí)，將計(jì)數(shù)結(jié)果存入鎖存器內(nèi)，DSP可通過EMIF訪問鎖存器得到加速度計(jì)信號(hào)計(jì)數(shù)器的結(jié)果。

陀螺信號(hào)輸入形式為正交編碼信號(hào)，每個(gè)通道陀螺信號(hào)輸入包括3路信號(hào)，分別是A、B和DGND，當(dāng)A相超前B相90°時(shí)計(jì)數(shù)值增加，當(dāng)A相落后B相 90°時(shí)計(jì)數(shù)值減少。在設(shè)計(jì)時(shí)輸入信號(hào)先經(jīng)過鑒相電路，識(shí)別A路和B路信號(hào)的相位先后，并產(chǎn)生兩路4倍頻的可逆脈沖信號(hào)，然后對(duì)可逆脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)標(biāo)頻信號(hào)中斷產(chǎn)生時(shí)，將計(jì)數(shù)結(jié)果存入鎖存器內(nèi)。

里程計(jì)信號(hào)包括兩路計(jì)數(shù)輸入和一路行車狀態(tài)信號(hào)輸入，計(jì)數(shù)輸入每路使用一個(gè)16 bit計(jì)數(shù)器，當(dāng)中斷產(chǎn)生時(shí)將計(jì)數(shù)器數(shù)值存入鎖存器;行車狀態(tài)信號(hào)(STATE)上電初始為無效狀態(tài)，用戶通過命令設(shè)置STATE狀態(tài)是否有效。其 STATE信號(hào)處于有效狀態(tài)時(shí)，STATE為1，里程計(jì)計(jì)數(shù)器遞增計(jì)數(shù);若STATE為0時(shí)，里程計(jì)計(jì)數(shù)器遞減計(jì)數(shù);而當(dāng)STATE信號(hào)處于無效狀態(tài)時(shí)，里程計(jì)計(jì)數(shù)器遞增計(jì)數(shù)。

在FPGA中設(shè)計(jì)了16位計(jì)數(shù)器，上電復(fù)位計(jì)數(shù)器為0，計(jì)數(shù)器的值均增加，而計(jì)數(shù)器均加1，當(dāng)頻標(biāo)分頻中斷產(chǎn)生時(shí)，將計(jì)數(shù)結(jié)果存入鎖存器內(nèi)。DSP可通過EMIF訪問鎖存器得到陀螺合頻計(jì)數(shù)器的結(jié)果。

標(biāo)頻分頻器用來將標(biāo)頻信號(hào)分頻，產(chǎn)生鎖存FPGA內(nèi)加速度計(jì)數(shù)器、陀螺計(jì)數(shù)器、里程計(jì)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值以及狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)的狀態(tài)中斷信號(hào)。在FPGA中標(biāo)頻分頻器由一個(gè)預(yù)定標(biāo)器和一個(gè)計(jì)數(shù)器組成，可由軟件編程設(shè)置分頻，DSP通過EMIF總線向預(yù)定標(biāo)器寫入需分頻的數(shù)值，計(jì)數(shù)器記錄頻標(biāo)脈沖的個(gè)數(shù)，計(jì)數(shù)至定標(biāo)值時(shí)計(jì)數(shù)器輸出并清零，而計(jì)數(shù)器輸出至DSP的中斷，同時(shí)鎖存FPGA內(nèi)加速度計(jì)數(shù)器、陀螺計(jì)數(shù)器、里程計(jì)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值以及狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)的狀態(tài)。

狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)為開關(guān)量信號(hào)，狀態(tài)存放在一個(gè)地址中，每一位代表一路的狀態(tài)。在FPGA中設(shè)計(jì)一個(gè)16位的寄存器，存放行車狀態(tài)、高壓檢測(cè)信號(hào)狀態(tài)、機(jī)抖檢測(cè)信號(hào)狀態(tài)及跳模檢測(cè)信號(hào)狀態(tài)，并在中斷時(shí)將信號(hào)鎖存到鎖存器中。

故障檢測(cè)信號(hào)是通過一個(gè)地址寫入故障檢測(cè)向量，根據(jù)故障檢測(cè)向量每一位具體是0或1，由可編程邏輯器件將故障檢測(cè)向量自動(dòng)設(shè)置輸出引腳。在FPGA中設(shè)置一個(gè)8位的存儲(chǔ)器，用于存放故障檢測(cè)向量，信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)后輸出。

FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)了串行協(xié)議模塊，經(jīng)外接電路組成RS232和RS422串行接口。集成協(xié)議芯片參照ST16C2552進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)其MODEM控制等功能進(jìn)行了裁減。而串行接口工作波特率也均可設(shè)置。

3 結(jié)束語

文中介紹了基于DSP的車載導(dǎo)航系統(tǒng)，給出了硬件電路設(shè)計(jì)。其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、維護(hù)方便，能提高系統(tǒng)整體性能和性價(jià)比，且有較好的繼承性等特點(diǎn)。實(shí)踐證明該硬件電路可靠，為車載導(dǎo)航領(lǐng)域的硬件設(shè)計(jì)提供了參考。