基于DSP的导航计算机硬件设计分析（二）

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基于DSP的导航计算机硬件设计分析（一）

 

 

　　3 导航计算机硬件设计

　　导航系统的主要任务是测量各种载体的即时位置、速度、航向等导航参数，具有实时性高、运算量大等特点。因此在导航系统中，计算机设计是系统设计的关键。在基于DSP和单片机的导航系统中，导航计算机的任务首先是数据采集，包括采集惯性测量单元输出信号，接收外部系统校正信息，如GPS输出信息、初始位置信息等。其次是数据处理与运算，包括惯性测量元件的误差补偿、初始对准、导航参数解算、组合导航算法实现等。是输出导航系统级系统状态量，包括输出导航参数以及与其它设备交换信息等。所有这些任务，如果都由一个CPU来进行运算的同时，还要兼顾系统控制和数据输入输出，并响应频繁的中断，必然降低系统运行效率，所以为了提高系统运行速度和效率，减轻导航计算机的负担，设计一种以DSP和单片机为主的主从系统。导航计算机工作流程为：经过前端处理的模拟信号由ADS1258完成采样转换后，给DSP一个中断，读取各个通道的数据并存储在片外SRAM 数据区，同时DSP进行惯性测量元件的初始对准、误差补偿，在线校正滤波和导航参数解算，从而完成对系统目标的定位功能，再由双口RAM 实现DSP和单片机目标信息的交换，终通过单片机完成系统的I/O接口和外部接口设备控制，系统总体结构如图1所示。

 

图1 导航计算机系统总体结构图

 

　　在导航计算机中，需要对接受到的模拟数据进行采样，并转换为数字信号，送给CPU 计算和处理，处理器TMS320VC33与ADS1258通讯采用了TMS320VC33的SPI接口，TMS320VC33通过SPI接口对ADS1258进行初始化及读取数掘，把通过TMS320VC33数字滤波器处理过的数据发送给ADS1258的DIN、DOUT分别用于数据的输入和输出，SCLK用于串行时钟的输入；START是AD的启动信号，高电平有效，将DSP的XF0设置为通用I/O口，以XF0信号连接AD的START,启动AD转换器开始采样和转换；/DRDY是AD转换结束信号，低电平有效；从AD读出转换数据都是在AD转换完成后/DRDY为低电平时开始的，读出转换数据之前DSP需查询DRDY的状态。

　　本系统采用中断方式，将/DRDY信号直接连接在DSP的外部中断信号INT0上，提高了系统运行效率。

 

 

图2 AD转换器与DSP接口设计图

 

　　TMS320VC33 无内部ROM 存储器，需扩展外部存储器，外部存储器采用FLASH 和SRAM 的配置方式，FLASH用来存储DSP系统的程序以及初始化数据，系统启动后，TMS320VC33自动将程序和初始化数据从FLASH 加载到SRAM 中，加载完成后，程序在SRAM 中运行。本系统设计选用AM29LV800BB-90EC,容量大小为512K×16位，访问时间：90ns;存储容量：8Mbit;工作温度范围：-55~+125℃；在线编程电压：3.0~3.6V;低功耗：读操作时电流为7mA,编程/擦除时电流为15mA.AM29LV800BB-90EC的地址线A0~A18与TMS320VC33的地址线A0~A18连接，AM29LV800BB-90EC的数据线D0~D15与TMS320VC33的低16 位数据线D0~D15 连接，TMS320VC33 的/PAGE0 连接AM29LV800BB-90EC 的片选信号/CE,TMS320VC33的R/W 信号连接AM29LV800BB-90EC的写信号/WE,选择16位数据模式。

 

 

图3 DSP与FLASH存储器接口设计图

 

　　由于系统运行时，需要对SRAM 进行频繁读写操作，因此采用快速存储器件ISSI的IS61LV51216,它集成度高、功耗低、是一个8M 容量，结构为512K*16位字长的高速率SRAM.采用两片IS61LV51216 芯片与DSP 连接。

　　IS61LV51216的地址线A0~A18与TMS320VC33的地址线A0~A18连接，片IS61LV51216的数据线D0~D15与TMS320VC33的低16位数据线D0~D15连接，第二片IS61LV51216的数据线D0~D15与TMS320VC33的高16位数据线D16~D31连接，TMS320VC33的/PAGE1连接IS61LV51216的片选信号/CE,TMS320VC33的R/W 信号连接IS61LV51216的写信号/WE,选择16位数据模式。

 

 

图4 DSP与SRAM 存储器接口设计图。

 

　　计算机需要接受GPS定位信息，并进行解码计算，还需要接受输入输出控制，处理的数据量很大，对数据通讯的稳定性和可靠性要求都比较高。传统的数据通讯主要有串行、并行、DMA以及双口RAM 等方式。综合各种通讯方式的优缺点，考虑到该导航系统实时性高。数据量大的特点，采用双口RAM 的方法实现DSP和单片机的实时数据通讯。系统选用IDT7005S,它是一款高速8K*8双端口静态RAM,与单片机组成接口电路时可直接相连。89C51的地址总线宽度为16位，数据总线为8位；而IDT7005S的地址总线宽度为13位，数据总线为8位，需对单片机进行总线扩展，具体使用锁存器74LS373的使能信号，对数据进行分时读写，实现总线扩展。

 

图5 单片机DSP与双口RAM 接口设计图

 

　　4 系统软件设计

　　整个软件基于中断方式。DSP软件工作流程为：系统上电复位后，加载外部flash的程序文件到外部SRAM 程序区，DSP初始化各个部分后运行。程序始终查询AD的中断信号，在获得AD的中断后进入中断服务程序，采集后的数据存储在外部SRAM 数据区，然后调用探测定位程序获取声音目标的方位等参数，并写入双口ram中，供单片机读取后进行融合。本系统的DSP软件流程如图5所示。

 

 

图6 DSP软件设计流程图

 

　　5 结语

　　本文结合了现代导航新技术的发展与需求，以DSP作为处理器实现导航系统的算法，以FPGA实现外围接口的扩展，采用了高AD转换器采集惯导数据，设计了基于DSP微小型的导航计算机。采用FPGA实现外围接口的扩展，体积上省去了串口芯片，功能上能够辅助DSP完成对GPS和数据采集的接受，这样不仅省去了CPU 的一定工作量，还可以使CPU更能够专注于组合导航的算法的计算，从而进一步提高系统的性能。本系统采用的高AD转换器ADS1258为TI公司刚刚推出的高AD,在以及转换速度上大大优于以往的AD转换器，这对于导航系统的性能奠定了硬件基础。对DSP导航计算机硬件的设计在日后的发展也起到了很好的带动作用。