基于VC33和EPM7512的導航計算機設計

高志峰，董明杰，石永生

(北京理工大學 自動化學院，北京 100081)

·計算機及網絡技術應用·

基于VC33和EPM7512的導航計算機設計

高志峰，董明杰，石永生

(北京理工大學 自動化學院，北京 100081)

為了滿足捷聯式慣性導航裝置對小型化、低成本及高精度等方面的要求，設計了一種基于VC33和EPM7512的嵌入式導航計算機。介紹了導航計算機軟硬件設計的方案及實現方法。經驗證，該系統體積小、功耗低、精度高、實時性好，能夠滿足捷聯式慣性導航裝置的需要。系統還可以用于實驗教學，使學生對導航計算機和嵌入式系統有直觀的認識。

捷聯慣導裝置；導航計算機；VC33芯片；EMP7512芯片

在軍、民領域中的各類飛行器上，捷聯式慣性導航系統(簡稱:慣導系統)作為一種現代化導航設備已經被廣泛應用，尤其在現代軍事武器領域中更是發揮著舉足輕重的作用。而導航計算機是慣導系統最重要的部件之一，它既是慣導系統數據運算處理中心，又是慣導數據采集中心，還是系統與外部的通信中心。因此，導航計算機任務繁重，處理信息量大，實時性要求高[1]。

傳統的慣導系統導航計算機多采用PC104或者單片機作為處理器，此類系統通常存在體積大、功耗高或者運算速度慢、無法滿足實時性要求等問題。而且，在采用一個CPU的導航計算機中，通常數據采集通道和通信通道會占用系統大量的資源，延長CPU數據處理的周期，嚴重影響了導航計算機的速度。

本文設計了一款基于DSP(數字信號處理器)和CPLD(復雜可編程邏輯器件)的導航計算機，利用DSP強大的數據處理能力和CPLD的高度集成、編程靈活及低功耗的特點, 使得DSP+CPLD的組合能夠勝任導航計算機對運算能力、接口和小型化的要求。這里的DSP選取TI公司的VC33，CPLD選取ALTERA公司的EPM7512。

VC33是美國TI公司于2001年推出的性價比很高的高性能浮點DSP芯片。它以高速、低功耗、低成本、易于開發為顯著特點[2]，克服了以前C30、C31、C32在接口、引導、存儲器擴展等方面的不足。它具有高速的浮點運算能力，在13 ns單周期能進行最高150兆次浮點運算(million floating-point operations per second，MFLOPS)和75兆次指令(million instructions per second，MIPS)。

EPM7512是美國ALTERA公司MAX7000系列中的一種CPLD[3-4]。它基于先進的多陣列矩陣(MAX)架構，采用了先進的CMOS工藝制造，具有512個宏單元的密度，速度達到3.5 ns的管腳到管腳延遲；支持在系統可編程能力(ISP)，可以在現場輕松進行重配置，利用Quartus II作為開發工具，界面友好，集成化程度高，為高速應用提供了很高的性價比。

1 系統硬件設計

導航計算機的硬件是由數據接口模塊、數據輸入模塊、AD采集模塊、導航解算模塊、數據輸出模塊等五大模塊組成，如圖1所示。

圖1 系統硬件組成框圖

導航計算機的工作原理是：VC33和EPM7512配合完成數據采集，VC33讀取數據采集結果，進行導航解算，將解算結果存儲到雙口RAM中，再通過全雙工異步串行收發器UART與上位機進行通信，輸出導航結果。其中：

1)數據接口模塊由光電耦合芯片組構成，慣導系統的慣性測量單元(IMU)的輸出經過電流/頻率(I/f)轉換電路轉換為數字信號后，通過光電耦合芯片去除噪聲輸出CMOS電平形式的脈沖信號。

2)數據輸入模塊由EPM7512通過高速硬件描述語言(VHDL)編程實現的部分功能模塊構成，包括多路可逆計數器、譯碼器、雙口RAM1。數據接口模塊輸出的CMOS脈沖信號通過可逆計數器得到單位時間的脈沖結果，存儲在雙口RAM1中，等待VC33對其進行定時讀??；譯碼器可以控制各模塊的訪問地址，保證各部分協調工作。

3)AD采集模塊由橋式測溫電路、差分放大電路、正向放大電路、模數轉換電路構成。橋式測溫電路測出慣導系統慣性器件的溫度變化值，通過差分放大電路和正向放大電路后進入模數轉換電路，轉換成數字信號輸入VC33。

4)導航解算模塊由VC33和FLASH構成。FLASH存儲導航程序及參數，VC33讀取數據輸入模塊的雙口RAM1中的數據后，經過誤差補償、姿態變換、導航解算，將導航結果輸出到數據輸出模塊的雙口RAM2中。

5)數據輸出模塊由EPM7512的部分功能模塊以及RS-422串口芯片構成，EPM7512中的模塊包括UART、雙口RAM2。VC33經過導航解算后的導航結果存儲在雙口RAM2中，雙口RAM2中的數據經過UART進行并串轉換，輸出CMOS電平的導航結果通信數據，再經過RS-422串口芯片，輸出給上位機進行通信。

2 系統軟件設計

VC33的軟件開發采用集成開發環境CCS實現。CCS是TI公司推出的DSP開發環境，集成Simulator和Emulator仿真器驅動程序，與C語言有良好的數據交換接口。

圖2 系統軟件工作流程圖

EPM7512的軟件平臺是ALTERA公司提供的CPLD/FPGA設計軟件Quartus II[5-7]，它具有可視化、集成化等優點，可以完成從設計輸入、仿真、編譯、綜合、布局布線和下載等一系列設計步驟。用Quartus II設計數字電路可以使用多種硬件描述語言，比如VHDL、Verilog HDL等，還可以使用圖形設計的方法。

導航計算機軟件的工作流程為：首先，通過數據采集模塊和AD轉換模塊，采集IMU輸出的脈沖信號和溫度信號，每完成一次采集便觸發導航解算模塊中VC33的外部中斷，VC33通過響應中斷來讀取存儲在EPM7512中的IMU數據；然后，開始進行誤差補償、姿態變換和導航解算；最后，將導航結果通過RS-422串口通信輸出給上位機。至此一次循環結束，開始下一幀數據的采集。軟件流程如圖2所示。

導航計算機在系統加電后，VC33的引導程序先讀取系統狀態信息，再通過調試軟件CCS進行應用程序的編輯、編譯、加載和調試，調試通過后使用編程工具將應用程序固化到系統FLASH中[8]，從而提高了導航計算機的開發調試能力。

3 實驗結果與分析

將導航計算機通過RS-422串口線與上位機相連，接好電源，利用上位機專用程序發送控制命令，并觀察導航計算機的輸出。試驗表明，導航計算機的輸出符合設計要求，證明系統設計正確、有效，系統工作正常。系統輸出如圖3所示。

圖3 上位機接收導航計算機的輸出

4 結束語

基于VC33和EPM7512的導航計算機利用雙嵌入式CPU設計，體積小、功耗低。相對于傳統的導航計算機，本系統利用EPM7512進行數據采集和數據通信，利用VC33進行導航解算，兩者同步進行，縮短了導航周期，大大提高了導航系統的實時性，并且易于擴展，易于操作，人機交互方便。而且，通過該系統還可以讓學生對導航計算機和嵌入式系統有更直觀的認識，便于他們把課本上學到的知識應用于實踐，培養其理論與實踐結合的能力。

[1]胡致涌, 張國安. DSP 導航計算機硬件電路的設計及應用[J]. 赤峰學院學報, 2011, 27(10): 35-36.

[2]孫玲, 楊洪利, 欒曉明. TMS320VC33的特性及其硬件設計[J]. 應用科學, 2005, 32(6): 13-15.

[3]謝檬, 申忠如. 基于CPLD的等精度頻率計的設計[J]. 微計算機信息, 2011, 27(4): 58-59.

[4]姜道為. 可編程邏輯器件EPM7128編程與檢測電路的設計與實現[J]. 機械工程師, 2011, 15(9): 93-94.

[5] 張麗杰, 呂少中. Quartus II軟件在數字邏輯教學中的應用[J]. 軟件導刊, 2012, 11(4): 199-200.

[6] 牛立強, 徐振宇. Quartrs II軟件在FPGA技術課程教學中的應用[J]. 科技信息, 2011, 36(2): 570.

[7] 李雪梅. 用Quartus 4.0設計數字電路過程的介紹[J]. 現代電子技術, 2005, 28(6): 35-38.

[8] 孫秋生, 陳尚峰. 基于CCS的DSP片外FLASH直接燒寫設計[J]. 電子設計工程, 2009, 17(1): 93-95.

Design of Navigation Computer Based on VC33 and EPM7512

GAO Zhifeng, DONG Mingjie,SHI Yongsheng

(School of Automation, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

To meet the requirements of strap-down inertial navigation system，an embedded navigation computer based on VC33 and EPM7512 was designed. This paper introduces the software and hardware design and implementation methods of the navigation computer. The verification results show that the system has the characteristics of small size, low power, high precision and real-time performance. This system is also suitable for experiment teaching and can make students have more intuitive understanding about navigation computer and embedded system.

strap-down inertial navigation system; navigation computer; VC33 chip; EMP7512 chip

2012-08-03；修改日期: 2014-02-12

總裝“十二五”預研基金資助項目。

高志峰(1979-)，男，碩士，實驗師，研究方向：導航制導與控制。

TP39；U666.1

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.02.007