基于DSP的車載GPS/DR組合導航系統(tǒng)硬件設計方案

1 引言

目前，差分GPS水平定位精度已經(jīng)達到3"5m，完全滿足車輛定位精度的要求。但是，由于在城市高建筑群中或穿過立交橋時，常常會出現(xiàn)GPS信號遮擋問題，導致GPS不能正常定位。航位推算(DR)是常用的車輛定位技術(shù)，但方向傳感器隨時間積累誤差較大，不能單獨、長時間地使用。采用組合導航系統(tǒng)能夠利用GPS系統(tǒng)提供的位置和速度信息對DR系統(tǒng)的誤差進行實時的校正和補償；當GPS信號失鎖時，又可通過DR系統(tǒng)完成航位推算，提高了組合導航系統(tǒng)的可靠性。

組合導航系統(tǒng)除了要完成大量運算處理工作外，還要實現(xiàn)慣性測量單元IMU(陀螺儀和加速度計)和GPS等傳感器的數(shù)據(jù)采集、與外部系統(tǒng)的通信、時序邏輯控制和人機接口等功能。在這種情況下，如果僅用一片DSP芯片，則系統(tǒng)的實時性能較差，因此多數(shù)組合系統(tǒng)都采用兩個或多個DSP或是由一個或幾個通用的微處理器MPU加上一個DSP構(gòu)成主從式多處理器系統(tǒng)的方案。而目前利用DSP與FPGA結(jié)合的方案來處理高速的數(shù)字信號越來越被廣泛采用。

2 GPS/DR組合導航系統(tǒng)組成

該GPS/DR組合系統(tǒng)具有接收和處理里程計信息、電子羅盤信息、慣性測量單元IMU以及GPS的信息的功能，其系統(tǒng)組成主框圖如圖1所示。

圖1 組合導航系統(tǒng)的組成框圖

GPS提供的絕對位置信息可以為DR提供推算定位的初始值并進行誤差校正；另一方面，DR的推算結(jié)果可以用于補償部分GPS定位中的隨機誤差，從而平滑定位軌跡。所以，利用適當?shù)姆椒▽煞N系統(tǒng)組合起來，充分利用其定位信息的互補性，就能夠獲得比單獨使用任何一種方法時都要高的定位精度和可靠性。

2 中心處理單元的組成

目前導航系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成為采用多傳感器數(shù)據(jù)融合的組合導航系統(tǒng)，導航計算機在完成復雜計算的同時，還要進行大量的數(shù)據(jù)通信，因此必須具有豐富的通信接口，完成傳感器數(shù)據(jù)的采集、傳輸任務。這就需要中心處理單元能夠在進行與外部通信的同時，還要保證計算精度和運算速度。

通過對系統(tǒng)進行功能分析，導航計算機需要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)輸出功能。數(shù)據(jù)輸入部分主要完成各種傳感器輸出數(shù)據(jù)的采集；數(shù)據(jù)處理部分主要完成數(shù)據(jù)濾波、微型慣性測量元件的誤差補償和初始對準、卡爾曼濾波以及進行導航參數(shù)解算等等；數(shù)據(jù)輸出部分主要負責導航參數(shù)輸出，應用于定位導航或者下一步需要的輸入。由于采用多種傳感器進行信息融合，需要較多的外圍通信接口，同時，外部傳感器數(shù)據(jù)輸出通信主要通過符合RS-232標準的異步串行通信口進行，如果和中央處理器直接相連，大量的中斷響應必將影響到CPU的處理速度，目前各種MCU、MPU可以提供的串口資源也是有限的。傳統(tǒng)的設計很多都是采用PC104作為系統(tǒng)的中心處理器，PC104體積大，價格高，不利于系統(tǒng)的小型化、低功耗和低成本的實現(xiàn)。因此，本設計考慮采用DSP+FPGA+TL16C554的方案進行設計，其中 DSP完成主要的導航參數(shù)計算，利用TL16C554進行外部通信接口的擴展，F(xiàn)PGA完成串口的模擬以及相應的邏輯控制以保證三者之間通過數(shù)據(jù)線的高速通信，提高系統(tǒng)的運行效率和運算精度。

中心處理單元的核心處理器要完成大規(guī)模的矩陣運算和代數(shù)運算，因此系統(tǒng)選用浮點DSP 芯片TMS320VC33。該芯片具有150MFLOPS和75MIPS的運算速度，單指令周期13ns。TMS320VC33通過提高硬件功能來提高速度，而其他處理器是通過改善軟件功能或編碼速率來提高速度的。這種通過硬件來提高性能的方式在以往單芯片DSP上是不可能實現(xiàn)的。處理器具有在單個周期內(nèi)對整數(shù)，浮點數(shù)據(jù)同時執(zhí)行并行乘法算數(shù)運算的強大功能。同時該芯片具有低功耗，低成本等特點，滿足系統(tǒng)的設計要求。

FPGA具有可編程特性，能夠方便地完成我們所需要的邏輯功能。利用FPGA來擴展外圍通信接口，主要是擴展TTL電平的串行通信口作為系統(tǒng)的備用。根據(jù)完成串行通信的資源需求以及今后擴展使用的考慮，這里采用ALTERA公司的ACEX1K 30（以下簡稱ep1k30）來完成這項工作。ep1k30可以提供119000門的資源，具有1728個邏輯宏單元，可以實現(xiàn)UART串口，并同時能夠完成相應的譯碼、邏輯控制等功能。

系統(tǒng)包含有多個傳感器，這就要求處理器要擴展出多個串口。DSP芯片TMS320VC33本身有串行通信口，如果直接利用DSP片上的串口資源進行串行通信，只適用于傳輸數(shù)據(jù)比較少，傳輸速率慢的場合，[ ]其軟件編程比較復雜，而且控制串行通訊要占用很大的系統(tǒng)資源，影響傳感器的實時處理功能，因此， 本系統(tǒng)采用了TI公司生產(chǎn)的４通道異步收發(fā)器集成芯片TL16C554擴展DSP串口，實現(xiàn)傳感器與導航計算機的通信。該芯片是一種具有串行異步通信接口的大規(guī)模集成電路芯片，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并/串、串/并的轉(zhuǎn)換功能。其內(nèi)部帶有16字節(jié)的FIFO緩沖器。在FIFO模式下，傳輸和接收前將數(shù)據(jù)緩沖為16字節(jié)數(shù)據(jù)包，減少了CPU的中斷數(shù)量。內(nèi)部包含4片改良的16C550異步傳輸器件，使得串行I/O更加可靠。

中心處理單元的整體硬件設計框圖如圖2。

系統(tǒng)充分發(fā)揮了DSP進行加、乘運算的優(yōu)勢，實現(xiàn)了導航參數(shù)的實時運算，并利用FPGA和16C554擴展外圍通信接口，將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為并行數(shù)據(jù)后通過數(shù)據(jù)總線同DSP進行通信，把處理器從大量的I/O中斷響應負擔中解脫出來，提高CPU的運行效率。解算后的導航參數(shù)再通過數(shù)據(jù)總線到FPGA經(jīng)過轉(zhuǎn)化后以串行數(shù)據(jù)的格式輸出。同時，考慮到IMU數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)更新率大于100Hz，并不把收到的每一包數(shù)據(jù)直接發(fā)送到DSP，而是首先進行濾波處理后，再通過一個FIFO，暫時將數(shù)據(jù)存儲起來，在數(shù)據(jù)量達到一定程度的時候，再通知DSP把這些數(shù)據(jù)取走，這樣做可以進一步減輕DSP的負擔，提高運行效率。

3 中心處理單元的硬件設計

中心處理單元的硬件部分主要由電源模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、FPGA部分、DSP部分等組成。

3.1 系統(tǒng)電源模塊

整個系統(tǒng)需要使用1.8V、2.5V、3.3V和5V四種電壓。其中DSP需要1.8V和3.3V作為核心供電和I/O供電；FPGA需要2.5V和3.3V電壓供電；GPS需要5V電壓供電，因此整個系統(tǒng)采用5V電壓供電。然后通過兩片TI公司的TPS73HD3XX系列芯片進行電壓轉(zhuǎn)換，可以分別獲得所需電壓。TPS73HD3XX系列芯片為雙路電壓輸出轉(zhuǎn)換芯片，具有非常低的靜態(tài)電流，即使對于變化負載，靜態(tài)電流在實際中仍能夠保持不變。

3.2 數(shù)據(jù)通信模塊

TL16C554擴展的數(shù)據(jù)通信模塊的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示.

圖3 數(shù)據(jù)通信模塊原理框圖

TL16C554的地址線 A2～A0、數(shù)據(jù)線 D7～D0 分別和 DSP 的地址總線 A2～A0、外部數(shù)據(jù)線 D7～D0直接相連，而片選信號CSA "CSD 、讀寫信號IOR ／ IOW 以及中斷信號INTA"INTD 則接入 FPGA 并由 FPGA處理。電路中使用FPGA一方面可以對 UART 的地址靈活配置，另一方面也可以靈活生成 UART 的選通和讀寫信號，從而增強系統(tǒng)的靈活性，方便系統(tǒng)調(diào)試。

3.3 FPGA部分

傳統(tǒng)的系統(tǒng)設計大部分是以 DSP 為主機負責數(shù)據(jù)處理、以單片機為從機負責數(shù)據(jù)采集的多機并行系統(tǒng)，但從機單片微控制器的速度限制制約著整個采集處理系統(tǒng)的速度。針對這種情況，將傳統(tǒng)的多機結(jié)構(gòu)改為宿主式單機結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)仍然以 DSP 作數(shù)據(jù)處理主機，用多種計數(shù)器、邏輯電路、時鐘電路組成的純硬件子系統(tǒng)來代替過去的從機系統(tǒng)[4]。但若采用傳統(tǒng)的方法，即用標準的數(shù)字電路芯片擴展實現(xiàn)此子系統(tǒng)，必然需要多片電路芯片，這不僅使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，連線增多，還使可靠性隨之降低。因此，系統(tǒng)采用了現(xiàn)場可編程門陣列器件FPGA來設計該子系統(tǒng)。用FPGA設計本系統(tǒng)最大的優(yōu)點是節(jié)省了PCB板子面積，并且滿足低成本的要求。并且在系統(tǒng)設計完成后，如果想升級、改進系統(tǒng)，不必更改任何硬件電路，只需要將FPGA內(nèi)部邏輯重新編程即可。

FPGA掉電后配置信息不能夠保存，再次上電時需要對其重新進行配置，因此需要使用片外存儲器保存配置信息。本設計中選擇ALTERA公司的epc2作為配置芯片。epc2是一種可以多次擦寫的具有可編程FLASH的存儲器，專門用于ALTERA公司的FPGA的配置。同時，系統(tǒng)板上的JTAG口，可以實現(xiàn)對epc2進行編程和對FPGA的在線配置。通過撥碼開關(guān)實現(xiàn)對FPGA的在線配置和對epc2的編程的切換，具體硬件連接如圖4所示。

圖4 FPGA配置連線方法

3.4 DSP部分

DSP需要系統(tǒng)算法程序存儲器，采用FLASH存儲器進行存儲，本系統(tǒng)選用四片256k×16b CY7C1041擴展了兩個256k×32b的RAM，為復雜組合算法提供了存儲空間；選用了兩片16位SST39VF400 FLASH芯片作為系統(tǒng)的程序存儲器。采用FLASH存儲器克服了傳統(tǒng)EPROM體積大的缺點，同時有利于減小電路板的面積。通過DSP仿真器，按照FLASH的燒寫算法可以將程序?qū)懭氲紽LASH中，完成DSP算法的存儲。系統(tǒng)上電時通過自舉方式，可以快速加載程序。這樣做可以降低系統(tǒng)的成本、體積和功耗。

在DSP之前增加一個FIFO，等待數(shù)據(jù)滿足要求后由DSP一起讀取，由此解決IMU輸出數(shù)據(jù)量大造成CPU響應頻繁的問題。優(yōu)化了系統(tǒng)的效率。IMU數(shù)據(jù)中各數(shù)據(jù)都由高字節(jié)和低字節(jié)兩部分組成，通過串口接收數(shù)據(jù)后，可以合并為16位的形式。16C554芯片具有16字節(jié)的FIFO緩存器，滿足系統(tǒng)的要求。利用FIFO的半滿信號作為通知DSP接收數(shù)據(jù)的中斷信號，通知DSP進行讀取。根據(jù)DSP進行數(shù)據(jù)讀寫的開銷時間以及所進行的運算量，并考慮實際接收數(shù)據(jù)的大小和傳輸波特率，計算出DSP對一包數(shù)據(jù)進行所花費的時間以及FIFO中寫入一包數(shù)據(jù)花費時間，從而使系統(tǒng)能夠順利完成解算任務。

4 結(jié)束語

GPS/DR車輛組合定位導航系統(tǒng)將GPS系統(tǒng)與DR系統(tǒng)相結(jié)合，提高了系統(tǒng)的有效性、完整性和精度。利用DR航跡推算系統(tǒng)能保證衛(wèi)星信號丟失時車輛位置信息輸出。系統(tǒng)具有全方位、全天候、無遮擋、高精度的特點，具有良好的應用前景。此組合導航系統(tǒng)具有強大數(shù)據(jù)處理能力，同時具有體積小、低成本、高可靠性、實時性好等優(yōu)點。該設計充分發(fā)揮了DSP強大的數(shù)據(jù)處理能力，利用了FPGA的高集成度編程仿真方便、速度快等優(yōu)點，而且使得系統(tǒng)在今后具有很大的改進余地，可以實現(xiàn)用同樣的硬件實現(xiàn)不同的功能。