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原文传递捷联导航计算机的数据采集系统设计

论文题名：	捷联导航计算机的数据采集系统设计
关键词：	捷联导航计算机;数据采集;MEMS惯性传感器;双CPU通信;单片机;可编程逻辑阵列器件
摘要：	惯导系统中的捷联惯性导航系统以自身低成本、高可靠性和低功耗等特点正在诸多领域取代平台系统,现已成为惯性导航系统的一大发展方向,然而传统的捷联惯导系统虽然精度高,但是成本和功耗也很高,难于在民用领域推广,而民用领域对低成本、低功耗的捷联导航系统需求越来越大。为适应微小型捷联导航系统对导航性能的需求,推动基于FPGA的SOPC技术在民用导航领域的工程应用,本文采用主从式结构,设计出一种基于单片机和可编程逻辑阵列器件(FPGA)的导航计算机系统,满足了整体系统体积小、功耗低、实时性强等特点。　　本课题重点研究了捷联导航系统的硬件的实现,采用MEMS惯性传感器作为捷联导航系统的核心敏感器件,根据MEMS惯性器件测量的原始数据,结合捷联导航系统的具体要求,设计数据采集电路及后续的导航解算硬件模块,并在此基础上重点研究了双CPU间通信的方法。　　论文所做的主要工作: 　　1.首先,本文阐述了惯性导航等与课题相关的背景知识,接着进一步介绍了捷联式惯性导航系统的基本原理,紧跟着概述了MEMS惯性敏感器件的发展概况,然后说明了导航计算机技术的发展过程,最后论述了课题研究的意义及论文的主要工作。　　2.介绍了在捷联惯导系统中的核心处理器——导航计算机,其主要任务有: 　　一,采集陀螺仪、加速度计、GPS等传感器信号; 　　二,进行导航解算与数据更新; 　　三,输出各类导航信息到控制及显示模块。　　然后主要论述捷联导航系统的基本知识及工作原理,例如一部分地球参数,六种常用坐标系,坐标转换,惯导系统的基本方程,载体的姿态方程等。本次课题中没有涉及到GPS模块,重点是对捷联导航进行介绍和分析。　　3.接下来本文给出了捷联导航系统的总体设计方案。导航计算机应该保证有足够的精度和运算速度,因此可知导航计算机不仅要有较好的运算能力,还应具备较好的控制能力。首先FPGA在片内硬件实现了某些算法,使得并行处理数据能力大幅提高。因而在系统的实时性和运算能力上得到了很好的改善,本文正是基于这种思想,提出了基于单片机和FPGA组合的导航计算机设计方案。然后本文阐述了捷联惯导系统的总体规划,紧接着详细给出了MEMS惯性器件的误差模型和一些主要的性能指标,最后介绍了实现捷联惯导计算机的FPGA技术和SOPC技术,例如硬件描述语言,Quartus和Nios软件基础以及SOPC整个的开发流程。　　4.介绍了基于单片机和FPGA的捷联导航系统硬件电路设计。在导航计算机芯片选择方面采用的是Altera公司的Cyclone系列芯片和STC51单片机;对于数据采集模块,采用的是I2C模式;然后详细阐述了导航计算机硬件平台电源电路和存储电路,接着讲述了FPGA外围的具体电路,比如AS模式和JTAG模式的配置,复位与时钟电路的,FPGA与上位机通信电路等;最后重点分析单片机和FPGA之间的接口电路,利用Verilog HDL语言实现单片机和FPGA的并行接口,并进行了验证,取得了良好的传输效果。　　5.捷联导航计算机的软件设计部分。此次导航计算机的软件开发环境分为keil公司的uVision和Altera公司的Nios II IDE环境。其次在分析系统的功能要求之后,得出捷联导航系统主程序设计完成的任务有:读取MEMS陀螺和加速度计的数据,导航数据的解算,与外界设备的通信等;然后具体介绍了数据采集模块和导航解算模块软件设计内容,最后主要讲述了FPGA和单片机并行通信单片机方面的软件开发过程。　　6.系统验证调试与结果分析部分。由于本系统结构较为复杂,涉及到较多的模块,因而必须对其进行硬件测试和软件测试。首先给出了硬件平台的综合性能,基本满足了捷联导航系统对于高集成、低功耗的要求;在此基础上对硬件平台进行了综合调试,具体包括电路板的整体测试和系统的软件测试;然后对惯性传感器件验证评估;进而对双CPU通信进行了仿真分析,验证了硬件传输的准确性;接着对导航解算结果进行了分析和仿真验证;最后详述了系统调试时遇到的一系列问题。　　最后是对全文的进行阐述与概括,并展望了今后发展方向和工作重点。
作者：	汪振国
专业：	导航、制导与控制
导师：	吴俊伟
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文