摘要：利用FPGA并行處理的特點(diǎn)及其豐富的I／O接口，在此設(shè)計(jì)了一種針對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的組合數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集慣導(dǎo)系統(tǒng)所需的IMU和GPS數(shù)據(jù)，能夠根據(jù)需要產(chǎn)生任意占空比的PWM控制信號(hào)，該系統(tǒng)預(yù)留了豐富的I／O接口，方便和DSP等處理器進(jìn)行無(wú)縫連接。測(cè)試結(jié)果表明，通過(guò)這種方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，體積小，可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。
關(guān)鍵詞：捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)；FPGA；IMU；GPS；PWM

0 引言
捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)是將慣性敏感器件陀螺儀和加速度計(jì)直接安裝在運(yùn)載體上，是不需要穩(wěn)定平臺(tái)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)內(nèi)的姿態(tài)矩陣實(shí)時(shí)解析計(jì)算而得到一個(gè)數(shù)學(xué)平臺(tái)，該平臺(tái)起到在慣性空間始終保持所要求姿態(tài)的作用。由于捷聯(lián)慣導(dǎo)的數(shù)學(xué)平臺(tái)代替了穩(wěn)定平臺(tái)，這要求導(dǎo)航計(jì)算機(jī)必須具有很高的運(yùn)算速度和精度。由于純慣導(dǎo)系統(tǒng)的速度、位置信息誤差隨時(shí)間積累，隨著導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，慣性測(cè)量單元(IMU)提供的數(shù)據(jù)難以完成精度較高的長(zhǎng)期導(dǎo)航任務(wù)。這就需要在長(zhǎng)期導(dǎo)航任務(wù)中引入GPS進(jìn)行輔助導(dǎo)航，但是GPS數(shù)據(jù)自主性差，發(fā)射的信號(hào)容易受到外部干擾，接收機(jī)數(shù)據(jù)更新頻率低，單獨(dú)使用難以滿足導(dǎo)航實(shí)時(shí)要求。通過(guò)將IMU與GPS組合構(gòu)成的導(dǎo)航系統(tǒng)可以克服兩者單獨(dú)工作的缺點(diǎn)，互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，更好地完成導(dǎo)航任務(wù)。IMU，GPS數(shù)據(jù)的兩者融合正是通過(guò)IMU-GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。
根據(jù)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA實(shí)現(xiàn)IMU-GPS數(shù)據(jù)采集及PWM控制的系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)IMU數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)的同時(shí)采集，可以根據(jù)需要產(chǎn)生任意占空比的PWM控制信號(hào)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
慣導(dǎo)和GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)要求既要具有高速實(shí)時(shí)的計(jì)算能力，也要具有豐富的外設(shè)接口，保證采樣速度和精度。同時(shí)，根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)小型化的考慮，慣導(dǎo)平臺(tái)通常采用小容量PWM驅(qū)動(dòng)裝置，從而減小對(duì)加速度計(jì)、陀螺儀等慣性器件外部電磁環(huán)境的影響，保證其工作精度。FPGA具有豐富的I／O功能，還可以多個(gè)進(jìn)程并行運(yùn)行，能滿足組合導(dǎo)航的要求。本文設(shè)計(jì)的捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)就采用FPGA作為核心處理芯片實(shí)現(xiàn)IMU-GPS數(shù)據(jù)采集處理和PWM控制，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)的核心處理器FPGA選用Xilinx公司的XC3S400，它采用90 nm工藝，最大容量40萬(wàn)門(mén)，工作頻率可達(dá)200 MHz。此外，系統(tǒng)還包括電源管理單元，程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，接口電平轉(zhuǎn)換單元等部分組成。系統(tǒng)采用5 V供電，選用TI公司的TPS75003作為電源管理芯片，提供3．3V，2．5V和1．2V電壓。

2 FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
該系統(tǒng)充分利用FPGA可并行運(yùn)行的特點(diǎn)，利用軟件編程在單片F(xiàn)PGA上并行實(shí)現(xiàn)IMU數(shù)據(jù)、GPS信息的接收處理、存儲(chǔ)器和PWM控制，同時(shí)根據(jù)FPGA具有豐富的I／O接口特點(diǎn)，通過(guò)編程為DSP等微處理器的無(wú)縫接入預(yù)留接口。系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。