基于FPGA的组合导航系统专用接口板设计

第16卷第3期中国惯性技术学报V ol.16 No.3 2008年6月 Journal of Chinese Inertial Technology Jun. 2008 文章编号：1005-6734(2008)03-0330-04基于FPGA的组合导航系统专用接口板设计富立，时光煜（北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院，北京 100083）摘要：在低成本MIMU/MR/GPS组合导航系统中，为了解决不同设备之间因接口不同而不能直接进行数据交互的问题，设计了一种专用接口板。

该接口板选用FPGA作为核心的控制器件，并辅助以单片机PIC18LF6520和少量的芯片，为符合不同协议规范的多种设备间数据传输提供通道，在各种设备间架起一座通讯的“桥梁”。

经过跑车实验，证明了该接口板性能可靠，功能强大，具有一定的通用性。

详细阐述了该接口板的硬件设计思想和基本工作原理，给出了FPGA和PIC18LF6520的软件编程逻辑流程图。

关键词：接口板；组合导航；FPGA；MIMU；GPS中图分类号：U666.1 文献标志码：ADesign of special interface board of integratednavigation system based on FPGAFU Li, SHI Guang-yu(School of Automation Science and Electrical Engineering, Beijing University of Aeronauticsand Astronautics, Beijing 100083, China)Abstract: In the low-cost MIMU/MR/GPS integrated navigation system, different devices with different interfaces can not communicate directly. In order to realize real-time data transmission among such devices that according with different protocol standard, a special interface board using FPGA as the embedded microcontroller was designed. With the help of PIC18LF6520 and some other chips, the special interface board sets up a communication “bridge” among various devices successfully. It is proved that this special interface board is reliable, powerful and universal in application through vehicle field tests. The design approach and basic operation principle were discussed, and the software flow chart was also given.Key words: interface board; integrated navigation; FPGA; MIMU; GPS在低成本MIMU/MR/GPS组合导航系统中，不仅系统内部各种设备之间存在大量的实时数据传输，而且系统与外界各不相同而且传输协议也有差异，导致这些设备之间不能直接进行数据传输。

对于市场上常见的接口卡，综合考虑其性能、尺寸和成本等因素表明它们不适合于低成本MIMU/MR/GPS组合导航系统。

因此，研制一种专用的接口板，满足组合导航系统中不同设备间数据交互的需要，具有重要的现实意义和应用前景。

1 设计要求低成本MIMU/MR/GPS组合导航系统的结构框图如图1所示，从图中可以收稿日期：2008-04-25；修回日期：2008-06-06基金项目：航天支撑技术基金（61801070301）作者简介：富立（1969—），女，副教授，硕士生导师，从事惯性技术及其应用研究。

E-mail：chali_fu@第3期 富立等：基于FPGA 的组合导航系统专用接口板设计 331 地看出，系统内部各个分机设备以及系统外部相关设备的接口各不相同而且传输协议也有差异：OEM 板使用RS-232异步串口交换数据；导航计算机通过RS-485进行数据传输；MIMU 、磁传感器、温度传感器和压力传感器等直接输出模拟差分信号；系统则通过RS-485和RS-232与系统外设备进行通讯。

这些设备之间不能够直接进行数据传输，因而要求研制一种专用接口板，在各种设备间架起一座通讯的“桥梁”。

对接口板的各项要求参见表1。

2 硬件电路设计2.1 控制器的选择本设计中FPGA 选用ACTEL 公司PA 系列中的APA300芯片。

该芯片具有丰富的硬件资源，能够真正实现多模块并行工作，具有低成本、低功耗、小体积、可重新编程、升级方便、VHDL 设计电路可复用等突出优点，能够高速、准确地完成多种传感器测量数据的采集以及多种数据的传送。

2.2 接口板与OEM 板的接口设计接口板与GPS 接收机接口的主要作用是接收GPS 报文，并将收到的数据按要求拆包、打包；向GPS 接收机发送指令，控制GPS 接收机输出不同的报文。

本系统采用的GPS 接收机是NovAtel 公司的SuperStar II GPS-OEM 板，它采用RS-232异步串行口（波特率范围在300 Hz 到38.4 kHz ），通过报文的形式与外部设备进行信息的交换并对其控制。

SuperStar II GPS-OEM 接收机具有20针的接口端子，设计中使用部分的管脚定义如表2所示。

FPGA 优势在于控制能力强大，但不适合作繁琐的计算。

所以设计中选用单片机PIC18LF6520与GPS 接收机通信，并负责从GPS 报文中解算出需要的GPS 信息。

PIC18LF6520本身带有全双工的异步串行口(UART)，两者之间的接口电路只需增加一个ADM232AARN 电平转换芯片即可。

FPGA 为PIC18LF6520提供控制时钟，并同步接收PPS 信号和PIC18LF6520发送的GPS 数据，结构框图参见图2。

2.3 接口板与主惯导、控制机构的接口设计在实际应用中，低成本的MIMU/MR/GPS 组合导航系统需要从主惯导接收初始化数据和初始对准数据，由于通常传输距离较远，为保证数据传送的可靠性，采用RS-485/422通信协议。

初始化完成后，该端口可用于向控制机构传递经过运算后的导航参数或接收控制指令，这时距离较近，可采用RS-232通信协议。

本设计中采用PIC18LF6520、ADM232AARN 和ADM3491芯片并辅以少量其它电路，仅需要通过对相应管脚进行编程控制，方便地实现了RS-232/485/422多协议异步串口，实现导航处理器与主惯导或控制机构的数据通信。

PIC18LF6520通过ADM232AARN 、ADM3491芯片实现与主惯导和控制机构间通讯的多协议串口硬件电路，如图3所示。

当接口板需要与主惯导通讯时，由控制机构发送指令给接口板上PIC18LF6520的UART1端口，UART1端口响应332 中国惯性技术学报 第16卷 中断并分别使能ADM3491芯片的输入/输出管脚；在导航解算工作模式下，将ADM3491设置为节电模式，切断接口板与主惯导的通讯。

2.4 接口板与MIMU、磁传感器、温度传感器和压力传感器的接口设计MIMU 、磁传感器、温度传感器和压力传感器输出的都是模拟信号，需要经过A/D 转换成数字信号后才能被系统使用。

其中，MIMU 输出三个轴向的加速度信号、三个角速度信号和三个温度补偿信号；磁传感器输出三个轴向的磁强信号；温度传感器的量程为-40～+125℃；压力传感器的量程为15～115 kPa 。

上述信号都以差分形式输出，差分电压范围为-2.5～+2.5 V 。

A/D 转换芯片选用AD 公司生产的ADS1254E 。

ADS1254E 是具有24位精度的4通道模/数转换芯片，每路通道均为差分输入信号，在本设计中使用了4片ADS1254E 芯片组成一个16通道的A/D 转换电路。

FPGA 同步地控制4片A/D 转换芯片，为每片ADS1254E 分别提供2路时钟信号，即采样时钟信号和串行输出时钟信号，并接收A/D 转换结果。

另外，每片ADS1254E 具有4路差分数据输入通道，而每次仅能串行输出1路通道的转换结果，切换通道的控制信号由FPGA 提供。

详细的硬件结构图参见图4。

2.5 接口板与导航计算机的接口设计接口板与导航计算机的接口是符合RS-485电平标准的通用异步串口，字符格式为1个起始位，8个数据位，1个偶校验位，1个停止位，信息数据为4个字节，其波特率为115200bps ，通过FPGA 来实现。

这部分的硬件连线相对简单，主要依靠FPGA 内部的逻辑编程来实现与导航计算机的接口功能。

关于FPGA 的内部逻辑设计参见软件设计部分。

3 软件设计接口板的软件设计主要是FPGA 的内部逻辑设计和PIC18LF6520的软件编程，FPGA 的内部逻辑设计用于实现接口板与传感器、导航计算机之间的接口功能，PIC18LF6520的软件编程用于实现接口板与GPS 接收机的接口功能。

根据系统的需要，FPGA 需要完成以下功能：1）与PIC18LF6520通信，接收GPS 数据、主惯导数据和控制机构的指令；2）控制A/D 芯片，接收MIMU 、磁传感器、温度传感器和压力传感器的输出数据； 3）与导航计算机通信。

可以把FPGA 的整个控制逻辑划分成几个相对独立的模块，各个模块又可进一步划分成一些小的功能单元，这样即可降低软件设计的难度，有利于调试，还方便阅读和修改。

设计中把 FPGA 要实现的功能进行模块划分，他们的相互关系参见图5。

PIC18LF6520的软件设计分为主程序设计部分和中断服务子程序设计部分。

主程序在上电后执行参数的初始化和端口设置（SPI 端口初始设置为主模式），然后进入循环等待状态；中断服务子程序响应UART1端口和UART2端口的中断请求，判断中断源，然后跳转到相应的服务程序中执行。

UART1端口的中断响应并接收上位机的控制指令，切换整个系统的工第3期 富立等：基于FPGA的组合导航系统专用接口板设计 333作模式，并且根据需要设定系统的参数，程序流程图参见图6；UART2端口的中断主要是根据当前的工作模式，响应OEM 板GPS数据的中断请求，实时采集OEM接收板串行输出的导航电文，同时完成电文的解码，具体执行流程图参见图7。