基于分布式的捷联导航计算机系统设计与实现

- 1 -基于分布式的捷联导航计算机系统设计与实现夏春宁，吴峻东南大学仪器科学与工程系（210096）xcn25@摘要：为消除大型载体结构变形对载体上设备观测精度的影响，本文介绍了分布式姿态基准系统并给出其设计方案，最后完成捷联姿态基准导航计算机的硬件方案设计。

关键字：分布式系统 捷联姿态基准 导航计算机 DSP引言大型载体的结构变形对载体上的设备的初始对准有重要影响，为提高载体上观测设备的精度，必须充分考虑其安装位置结构的动态变形带来的影响。

若采用由安装在载体中央部位的惯导或平台罗经（INS ）集中地提供全载体各个位置的基准信息（如a 图）[]1，显然不能准确反映各位置的实际情况。

由于捷联基准技术的发展和应用水平的不断提高，采用捷联基准作为局部基准的分立式（如b 图）方式[]1，为载体上众多设备提供姿态等导航信息，从而提高系统精度。

随着载体上设备的精度和可靠性等要求的不断提高，需采用提供姿态信息的局部捷联基准（简称局部基准LR) 的数量越来越多,若为每个设备分别配备一套局部基准,则局部基准间的时间同步比较困难,不利于整个全系统的协调工作，过多地配置局部基准也很不经济,如果某一个局部基准出现故障,则该点的姿态信息就无法提供。

随着小型及微型捷联基准系统的发展，采用分布式系统技术，将少量局部基准、光纤布拉格光栅辅助测量装置以及可能的其他传感器合理的布局在全载体上，通过网络和综合信息处理装置(中央计算机)构成分布式姿态基准系统，向各设备提供姿态信息，便能克服集中式和分立式姿态基准的弊端。

再有，当某个局部基准发生故障时，网络化布局的分布式系统可进行系统重构，继续向设备发送姿态等信息，明显提高系统的生命力。

1．分布式姿态基准系统[]1分布式姿态基准系统的硬件配置如图1，其中捷联式姿态基准（Strapdown Attitude Reference,简称SAR ）为系统的主要测量单元，完成IMU （惯性测量组件）的数据采集、导航计算、通过网络与综合信息处理装置实现信息传送，它们的数量与安装位置取决于载体上设备的实际位置和优化布局计算；FBG（光纤布拉格光栅）作为辅助变形测量装置进行结构变形测量；综合信息处理装置将各个局部基准和变形测量装置等提供的信息进行融合和数据重组，然后再通过网络媒介向所有连接在网络媒介上的设备发送姿态信息；时统装置用来实现各局部基准与变形测量装置的同步取数。

综合信息处理装置选用计算功能比较强、适用于恶劣环境的设备级计算机--PC104工控机，它与IMU，FBG等测量装置构成的分布式姿态基准系统，以CAN网络实现通信。

一方面局部基准、光纤布拉格光栅测量装置等通过CAN网络将众多信息送给PC104工控机进行多信息融合和数据重组，另一方面PC104工控机将以太网上传来的外部信息通过CAN网络传给各局部基准。

综合信息处理装置通过多信息融合获得各个设备点的姿态信息，然后通过以太网将姿态信息传送给挂在以太网上的各个设备。

2．捷联姿态基准设计2.1捷联姿态基准导航计算机的硬件设计方案捷联姿态基准具有运算量大，实时性要求高，变量动态范围大，计算精度要求高等特- 2 -点。

捷联姿态基准的主要任务有以下三类：1、数据采集；2、数据处理与导航等运算；3、导航数据输出。

数字信号处理器(DSP) 是专为高速数据处理而设计的微处理器。

从结构特点上来看, 具有改进的哈佛结构（数据与程序分开，以提高数据吞吐量）、专用的硬件乘法器、多功能单元并行操作、专用寻址单元、多级流水机制（减少指令执行时间）、高效的精简指令集等, 使芯片的指令周期降到10ns 以下, 在需要大运算量实时处理的环境中，非常适合用DSP芯片来实现。

从制造工艺上来看, 其采用先进的制造工艺使其体积小、重量轻、功耗低。

目前,DSP 的价格越来越低,性价比日益提高,且系统设计开发方便、产品易于集成，已成为低成本、小型化的捷联基准系统的首选微处理器。

一个捷联基准除了要完成大量的运算处理工作外，还要实现惯性测量元件（陀螺仪和加速度组件）的数据采集、与外部系统的通信、时序逻辑控制等功能，在这样的情况下，由于DSP芯片本身处理能力和结构的限制，仅用一个DSP芯片来完成，会影响系统的实时性能。

采用两个或多个DSP或由一个通用微处理器MPU加一个或几个DSP构成主从式多处理器是23、。

由DSP主要完成导航计算任务，也就是计算模块实现的功能，可选择地系统实现方案[]其他处理器实现数据采集和通信控制模块功能。

常用的单片微处理器以控制能力见长而运算能力一般，与DSP 结合可以实现优势互补。

所以利用一个MPU加上一个DSP构成主从式多处理器系统，是一个比较理想的方案。

DSP作为从机主要完成主机间的数据交换、捷联惯性系统的算法运算等功能；MPU作为主机主要完成FOG光纤陀螺仪(数字信号，3路串口输出)的采集、加速度计(6路脉冲信号)的采集、与从机间的数据交换、导航信息输出、与外部系统通信等功能；整个系统在定时控制下同步协调工作。

捷联姿态基准导航计算机硬件结构框图如图2 Array2.2系统硬件本系统的DSP芯片采用TI公司的TMS320VC33，它是TMS320C3X系列中性价比最高、功耗最低的一种芯片。

该芯片采用3.3V电压(核心电压是1.8V )，即使工作在最高速度，其功耗也- 3 -- 4 -低于200mW ；内部继承了34K 字的双向访问静态RAM ，可满足大部分系统对RAM 的要求；浮点型的TMS320VC33，字长32位，累加器40位，运算精度较高；有足够的处理能力，VC33有一120和-150两种，-120主频17ns,120MFLOPS, 60MIPS ； -150主频13ns,150MFLOPS, 75MIPS 。

适合于运算量大、实时性要求高、计算精度要求高的捷联姿态基准系统。

VC33外围主要由晶振电路，电源电路，复位电路等组成。

VC33片内存储区实际上无法满足导航计算机存储数据和运行程序的需要，必须在片外扩展存储区，包括静态RAM 区（SRAM ）和永久ROM 区（FLASH ）。

由于系统对实时性要求高，与DSP 接口电路尽量采用快速零等待状态器件，同时采用3.3V 的器件可以与VC33直接连接。

MPU 选择C8051F040单片机，它是混合信号片上系统级单片机，内含CAN2.0B 控制器，25MIPS 高速流水线式CIP-51控制器内核，64KB 的可编程FLASH 存储器，RAM 可存储4352（4096+256）字节，SPI 、SMBus 和2个UART 串行接口，有12位的ADC ，8位的多通道DAC ，片内有看门狗定时器，温度传感器等，工作电压为2.7V －3.6V 。

进一步信息可参考文献[5]。

C8051F040的端口I/O 、/RST 和JTAG 引脚都容许5V 的输入信号电压，但输出的最大电压值为VDD （2.7 到3.6V ），如果单片机外围5V 器件需要一个高于该VDD 的输入电压才能工作，那么为了提供一个比VDD 高的输入电压值，可将端口引脚的输出方式设置为“漏极开路”，并将输出端通过一个上拉电阻接到5V 电源。

此时，C8051F040的逻辑‘1’输出将被提升到5V ，而逻辑‘0’为地电平。

主从处理器间的数据交换采用双端口RAM 方式，双端口RAM 具有两组数据总线和地址总线，因而主从处理器可以同时访问共享其内部的数据存储器。

本系统选用IDT 公司的异步高速双端口RAMIDT70v05，存储器资源为8Kx8b,3.3V 电压供电，它具有中断、仲裁、扩展以及旗语通讯等逻辑功能,允许两个控制器同时读取任何存储单元（包括同时读同一地址单元），但不允许同时写或一读一写同一地址单元。

主从处理器与IDT70v50之间皆采用中断方式完成对存储单元中数据的读写任务。

IDT70v50的数据位宽为8位，当它与具有32位数据宽度的DSP 进行数据交换时，采用DSP 数据总线的低8位与双口RAM 的数据总线相连。

DSP 发送32位数至双口RAM 时，单字发送任务分四次进行，先发低8位，再利用移位指令依次发送高24位。

DSP 从双口RAM 中读取数据操作和发送时类似。

光纤陀螺仪信号以三路串口形式输出，C8051F040只有2个异步串行口，需要进行串口扩展。

加速度计组件输出为6路脉冲信号，由于导航算法要求对各惯性器件输出的信号进行同时采集，因此多路脉冲信号采集器中各路计数器启动后，在每个采集时刻到来时，必须先将采集器中的所有计数器的计数值同时锁存（即实现了同时采集），然后再分时读出已被锁存的计数值。

采用两片Intel8254可实现加速度计信号采集，Intel8254内含3个16位计数器，它的读回命令控制字可使三个计数器的计数值同时锁存而不影响正在进行的计数过程，通过硬件译码实现两片Intel8254芯片上6路计数器的同时锁[]6存。

C8051F040内部集成有BOTSHCAN,它兼容CAN 技术规范2.0A 和2.0B,主要由CAN 内核、消息RAM(独立于CIP-51的RAM ）、消息处理单元和控制寄存器组成。

CAN 的输出输入必须加总线收发器才能与CAN 物理总线相连。

本系统采用TJA1050高速CAN 收发器,它具有电磁辐射低、防短路、不上电时对总线无影响等特点,有高速或静音两种模式。

为了增加CAN 节点的抗干扰能力,将CAN引脚通过高速光耦与总线收发器相连,可实现各节点之间的电气隔离。

系统硬件框图如图32.3实时操作系统应用当系统处理的任务较多,编程头绪也多，为了简化应用程序的编写思路,实现程序模块化,方便系统功能的扩充，提高应用程序的实时性和可靠性,将实时操作系统移植到本系统中就成为一件很有意义的事。

实时操作系统μCOS -Ⅱ是广泛应用的、源码公开的嵌入式实时操作系统，它能成功地移植到各种16位、32位单片机上,也能移植到8位单片机应用系统中。

该操作系统具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良、可扩展性强、可剪裁等特点，最小内核可编译至2KB，适合小型控制系统。

C8051F040微控制器4KB的数据空间，满足μCOS-Ⅱ对硬件堆栈的要求，在理解了处理器和编译器的技术细节后，系统的移植只需要修改和处理器相关的代码。

2.4导航计算机的软件组成系统软件主要分两部分：1）系统模块：接收外部IMU 部件的数据采集信息，然后转换成系统要求可用的信息；与DSP- 5 -间的数据交换；与上位机的CAN总线通信，主要完成姿态信息的发送和初始位置等信息的接收。

2）导航模块：包括初始对准、姿态转换和更新、导航算法、误差补偿等子模块。

主要任务是实现捷联算法，产生导航要求的数据。

3．结论本文就分布式姿态基准系统以及本系统中捷联导航计算机的实现方案进行了讨论。