基于FPGA和高精度ADC的组合导航系统设计

OMAP5910是TI公司生产的双核处理器，将TMS320C55XTMDSP内核与ARM9TDMI内核集成在单芯片上，实现了应用性能与低功耗的最佳组合。这种独特的架构不仅提供了DSP的低功耗、实施信号处理功能，同时还提供了ARM的命令和控制功能。充分发挥了DSP进行加、乘运算的优势，进行导航参数的实时运算，发挥ARM超强事务管理功能进行如导航数据的输出、显示、控制伺服机构等。

4 FPGA设计

4.1 FPGA逻辑设计

FPGA的主要工作在于：同步产生各ADC的工作时序；同步发送命令字；同步接收、数字滤波和存储各ADC的转换数据；提供与外部处理器的逻辑接口。FPGA内部的逻辑单元主要包括：状态机(State)、ADC控制器、数字滤波器、RAM块、接口单元等，对应的结构如图3所示。

状态机State是FPGA内部的控制单元，它按照固定的节拍周而复始地运行，并指挥着ADC控制器完成各种操作。根据FPGA对ADC数据发送和接收的不同过程，状态机可分为不同的4个状态周期。对于发送过程，其4个状态周期依次为：建立周期、发送周期、采样周期、转换周期；对接收过程，其4个状态周期依次为：建立周期、接收周期、存储周期、空闲周期。由于发送和接收过程在时间上可以重叠，其状态流程图如图4所示，其中Count的值是根据采样频率确定的，对不同的系统可参照选择。

ADC控制器是FPGA内部的主要执行单元，它按照状态机的节拍和状态指示进行相应的工作。RAM是FPGA内部的数据存储单元，用于存储各ADC转换的数据。接口单元是FPGA内部的功能协调单元，为外部处理器OMAP对FPGA的访问提供桥梁，当OMAP向FPGA写入ADC初始化配置字时，接口单元将配置字送往ADC控制器，同时复位状态机；当OMAP读取FPGA内部RAM块的数据时，接口单元对外部处理器的访问地址进行译码，选中对应的RAM块，将访问的数据送到外部处理器的总线上。

对于低成本微机械陀螺仪和加速度计，由于微惯性仪表技术不很成熟，在性能和精度上仍存在不足，如数据输出中存在野值现象和较大漂移，严重影响了系统的正常工作和精度，因此在进行组合导航数据融合算法之前，有必要对微机械传感器(陀螺仪、加速度计、压力传感器等)输出的数据进行预处理。本系统采用文献介绍的方法利用FPGA设计FIR滤波器。考虑总体要求，数字滤波器设计指标：通频带0～20 Hz；通带衰减不大于-3 dB；过渡带宽5 Hz；阻带内最小衰减不小于-20 dB；采用频率100 Hz。

FPGA通过这些内部结构单元的协调工作，来完成对各ADC数据的同步采集，以及与外部处理器OMAP的无缝接口。

4.2 逻辑仿真

根据FPGA内部的逻辑单元结构和功能，在Altera公司提供的QuartusⅡ开发平台中，用VHDL语言对上述逻辑进行了设计，并进行了功能仿真。其设计结果已在该公司的EP1C6得到实现，且性能稳定。

5 结 语

本文提出了基于FPGA和高精度ADC的组合导航系统，该系统具有开发周期短、集成化程度高等特点。软件和硬件均采用编程实现，设计灵活，容易修改，在实际应用中收到良好的效果。通过跑车试验，基于FPGA和高精度ADC的组合导航系统的导航位置精度：水平位置6 m(无DGPS)，5 min 300 m(无GPS信号)；姿态精度：横滚和俯仰角度0.3°～0.5°(有GPS)，0.7°～1.0°(无GPS)；航向角度0.4°(有GPS)，2°(无GPS)。实验证明该设计方案切实可行，达到了预期目的。