[發(fā)明專利]一種基于FPGA的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)協(xié)處理器

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410228512.3
• 申請(qǐng)日: 2014-05-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104132663A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-11-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王松;劉海濤;闕興濤;劉爾靜;汪守利
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京遙測(cè)技術(shù)研究所;航天長(zhǎng)征火箭技術(shù)有限公司
• 主分類號(hào): G01C21/20
• 分類號(hào): G01C21/20
• 代理公司: 中國(guó)航天科技專利中心 11009
• 代理人: 安麗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于FPGA的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)協(xié)處理器，屬慣性導(dǎo)航領(lǐng)域。

背景技術(shù)

近年來(lái)，隨著電子技術(shù)及慣性技術(shù)的高速發(fā)展，捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)以其低成本、小體積、高性能等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于諸多戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)略武器型號(hào)，為國(guó)防建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn)，高性能捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的研究和應(yīng)用也逐漸成為慣性技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。導(dǎo)航計(jì)算機(jī)是保證慣導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和精度的核心單元，主要完成數(shù)據(jù)采集、時(shí)間同步、導(dǎo)航計(jì)算和導(dǎo)航參數(shù)輸出等功能。

傳統(tǒng)的基于專用計(jì)算機(jī)或工控機(jī)的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且通用性欠佳。為了滿足小型化、高精度應(yīng)用要求，目前基于嵌入式系統(tǒng)的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的任務(wù)調(diào)度及導(dǎo)航計(jì)算等核心功能均由主處理器完成，往往采用雙主處理器結(jié)構(gòu)，例如DSP/單片機(jī)，DSP/DSP，DSP/CPLD，DSP/FPGA等，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的由DSP主處理器實(shí)現(xiàn)，任務(wù)的過(guò)度集中及主處理器有限的外部接口大幅增加了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，也降低了系統(tǒng)的可靠性和通用性，導(dǎo)致該類導(dǎo)航計(jì)算機(jī)不適用于數(shù)據(jù)交互量大、實(shí)時(shí)性要求苛刻的高精度導(dǎo)航領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的問(wèn)題：克服現(xiàn)有技術(shù)的的不足，提供了一種基于FPGA的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)協(xié)處理器，通過(guò)設(shè)計(jì)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)協(xié)處理器，完成高精度IMU信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與處理、導(dǎo)航參數(shù)及外部指令的雙緩沖、全雙工異步串行通信，有效提高導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的性能。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案：

一種基于FPGA的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)協(xié)處理器，實(shí)現(xiàn)方式如下：

FPGA協(xié)處理器完成IMU信號(hào)的采集控制和處理，并將IMU信號(hào)發(fā)送至主處理器；主處理器根據(jù)FPGA發(fā)送的IMU信號(hào)完成導(dǎo)航計(jì)算，并將導(dǎo)航計(jì)算的導(dǎo)航參數(shù)通過(guò)FPGA協(xié)處理器發(fā)送至主控計(jì)算機(jī)及其他外設(shè)；主控計(jì)算機(jī)及其他外設(shè)通過(guò)FPGA將控制指令及輔助信息發(fā)送至主處理器；FPGA協(xié)處理器控制模數(shù)轉(zhuǎn)換單元完成IMU信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，將多路IMU模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；IMU信號(hào)包括3路高精度光纖陀螺信號(hào)、3路高精度加速度計(jì)信號(hào)、1路溫度信號(hào)，對(duì)應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器路數(shù)為7路；

其中FPGA協(xié)處理器包括：IMU信號(hào)采集模塊、IMU信號(hào)處理模塊、通信協(xié)議設(shè)置模塊、發(fā)送緩沖模塊、接收緩沖模塊、異步串行收發(fā)模塊；

IMU信號(hào)采集模塊對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行初始化，將7路模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行同步，并設(shè)置一定的模數(shù)轉(zhuǎn)換頻率；IMU信號(hào)采集模塊查詢其中1路模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換狀態(tài)，當(dāng)查詢到模數(shù)轉(zhuǎn)換完畢后，產(chǎn)生取數(shù)時(shí)序，得到7路模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號(hào)，并送往IMU信號(hào)處理模塊；

IMU信號(hào)處理模塊對(duì)7路模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行二階IIR低通數(shù)字濾波處理得到濾波后的IMU數(shù)字信號(hào)，并產(chǎn)生與模數(shù)轉(zhuǎn)換頻率相等的導(dǎo)航計(jì)算時(shí)標(biāo)用以觸發(fā)主處理器外部中斷，主處理器在中斷服務(wù)程序中產(chǎn)生地址信號(hào)及讀信號(hào)，一次讀入模數(shù)轉(zhuǎn)換完畢的IMU數(shù)字信號(hào)，完成導(dǎo)航計(jì)算，并進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算時(shí)標(biāo)的對(duì)準(zhǔn)；

通信協(xié)議設(shè)置模塊對(duì)異步串行通信的波特率及奇偶校驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置；

發(fā)送緩沖模塊對(duì)主處理器導(dǎo)航計(jì)算完畢準(zhǔn)備發(fā)往主控計(jì)算機(jī)及其他外設(shè)的導(dǎo)航參數(shù)進(jìn)行緩沖，并等待異步串行收發(fā)模塊完成并串行轉(zhuǎn)換；

接收緩沖模塊對(duì)由異步串行收發(fā)模塊完成串并轉(zhuǎn)換的來(lái)自主控計(jì)算機(jī)及其他外設(shè)的串行指令及輔助參數(shù)進(jìn)行緩沖，等待主處理器的讀取；

異步串行收發(fā)模塊將發(fā)送緩沖模塊中主處理器向主控計(jì)算機(jī)和其他外設(shè)之間發(fā)送的導(dǎo)航參數(shù)進(jìn)行并串行轉(zhuǎn)換后發(fā)送至主控計(jì)算機(jī)和其他外設(shè)；并將接收到主控計(jì)算機(jī)和其他外設(shè)發(fā)送至主處理器的異步串行數(shù)據(jù)進(jìn)行串并行轉(zhuǎn)換送至接收緩沖模塊。

所述的導(dǎo)航計(jì)算時(shí)標(biāo)為一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘寬度的高電平，頻率為1KHz，基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率為14.7456MHz。

所述進(jìn)行二階IIR低通數(shù)字濾波處理方法具體如下：

二階IIR濾波器遞歸方程為：

y(n)＝a₀x(n)+a₁x(n-1)+a₂x(n-2)-b₁y(n-1)-b₂y(n-2),n＝2,3,4,...,N

其中，x(n)為當(dāng)前時(shí)刻的采樣值，x(n-1)為前一時(shí)刻的采樣值，x(n-2)為更前一時(shí)刻的采樣值，y(n)為當(dāng)前時(shí)刻濾波器的輸出值，y(n-1)為前一時(shí)刻濾波器的輸出值，y(n-2)為更前一時(shí)刻濾波器的輸出值。

所述的通信協(xié)議設(shè)置模塊包括波特率配置寄存器、奇偶校驗(yàn)配置寄存器；通信協(xié)議設(shè)置模塊對(duì)異步串行通信的波特率及奇偶校驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置的實(shí)現(xiàn)方式如下：