王愛林+陳穎圖+徐文進

摘 要 介紹了一種基于DSP處理器TMS320F206的GPS+IMU組合導航模塊的硬件設計方法，設計中利用DSP的構架可簡化外圍電路的設計，利用GPS+IMU組合導航可提高導航的準確性，設計中同時綜合考慮性能的穩(wěn)定性、成本控制等多方面因素，具有較高的應用前景。

關鍵詞 DSP；GPS；IMU

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）09-0027-02

GPS+IMU導航模塊的導航原理為：在飛行器飛行的過程中，通過導航方程解算出當前時刻飛行器應到達的理論坐標，同時模塊接收GPS定位信號后，得出同一時刻飛行器的實際坐標，通過實際坐標和理論坐標比較，得到當前航道的偏離值，通過對偏離值的解算，輸出對飛行器的控制信號，修正飛行軌跡，從而達到精確導航的目的。在實際應用中GPS接收信號受天氣、周邊電子環(huán)境的影響，可能會出現(xiàn)接收不到GPS衛(wèi)星信號的情況，此時IMU的信號將作為獲取當前實際坐標的補充手段。

1 系統(tǒng)結構

導航模塊的設計需求如下。

1）實現(xiàn)GPS信號的接收和處理。

2）實現(xiàn)信息以ARINC429協(xié)議形式傳輸。

3）GPS位置精度為5 m，速度精度為0.1 m/s。

4）使用28 V直流電源供電。

5）輸出GPS秒脈沖信號。

6）擴展64 kB程序RAM空間和64 kB數(shù)據(jù)RAM空間。

7）ARINC429數(shù)據(jù)總線一路接收，一路發(fā)送，發(fā)送接收速率100 kHz。

導航模塊的系統(tǒng)結構框主要包括：DSP電路、電源轉換電路、看門狗復位電路、ARINC429接口電路、控制邏輯電路、GPS接收電路、串行接口電路和SRAM電路。

2 系統(tǒng)設計

2.1 硬件設計

1）DSP電路。CPU的核心功能是負責指令執(zhí)行、邏輯運算、數(shù)據(jù)的運算處理等，CPU采用TI公司的TMS320F206芯片，F(xiàn)206是TI公司TMS320系列中的一款定點DSP，該芯片具有高性能低功耗的特點，工作頻率最高可達20 MHz，指令周期50 ns，片內集成64 kB的EEPROM，1 kB的DRAM、8 kB的SRAM，最大128 kB的程序、數(shù)據(jù)和I/O獨立尋址空間，1個32bit計時器，1個異步串行通信接口，4個可編程I/O管腳和3個外部中斷源。

采用F206可以充分利用該芯片內部集成的資源簡化硬件電路設計，實現(xiàn)導航模塊中需要的ARINC429電路，SRAM電路和GPS數(shù)據(jù)接收電路，同時TI公司提供專用的DSP開發(fā)環(huán)境，硬件調試和軟件開發(fā)均很方便。

2）電源轉換電路。導航模塊采用PowerGood公司的DC/DC電源模塊實現(xiàn)外部電源+28 V到內部5 V、±15 V的電壓轉換，+5 V提供給模塊中數(shù)字電路使用，最大輸出電流3 A，±15 V提供給ARINC429接口電路的驅動器使用，每路最大輸出電流0.5 A。PCB設計時，+5 V電源和GND采用平板設計，在電源的輸出端及各個芯片的電源端布置一些瓷介電容，能夠有效控制電源輸出的紋波。

3）看門狗復位電路。

①看門狗電路。導航模塊具有看門狗功能，當看門狗功能失效后，將產生看門狗中斷，看門狗中斷和F206非可屏蔽中斷連接，用于監(jiān)控模塊運行狀態(tài)?？撮T狗功能上電默認為禁止，在CPLD內部設置有看門狗使能寄存器，可以通過軟件使能或禁止看門狗功能，看門狗定時周期由硬件設置。

②復位電路。導航模塊硬件復位包括兩種：上電復位和手動復位。

上電復位：當5 V電壓低于4.65 V時，導航模塊處于復位狀態(tài)，5 V電壓高于4.65 V后，產生大于200 ms的復位信號，復位模塊整個硬件。

手動復位：由外部手動復位按鍵輸入引起，外部輸入一個低電平信號后，將產生大于200 ms復位信號，復位整個模塊硬件。

4）ARINC429接口電路。導航模塊的ARINC429電路用于發(fā)送GPS定位數(shù)據(jù)和接收IMU導航數(shù)據(jù)。

ARINC429總線是美國航空無線電公司（ARINC）制定的民用航空數(shù)字總線傳輸標準，廣泛應用于航空電子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)采用雙極性歸零碼開環(huán)傳輸，調制信號由高、零和低三種狀態(tài)組成。傳輸?shù)臉藴仕俾蕿椋焊咚?00 kbps和低速12.5 kbps。通信設備間雙向傳輸時，需要在兩個方向上各用一組獨立的傳輸總線。ARINC429總線傳輸時采用差分信號進行傳輸，具有抗干擾性強、傳輸距離遠和電路簡單可靠等優(yōu)點。

導航模塊429電路結構如圖1所示。

圖1 429電路結構設計示意圖

429協(xié)議電路由專用429協(xié)議芯片DEI1016實現(xiàn)，具有兩路接收和一路發(fā)送功能，DEI1016 主要用來完成數(shù)據(jù)收、發(fā)時所必須具備的串并和并串轉換功能，收、發(fā)功能互相獨立，收、發(fā)過程中自動完成串并和并串轉換。

429發(fā)送接口驅動電路由BD429芯片實現(xiàn)，BD429用來完成對兩路發(fā)送信號的差分驅動，采用±15 V供電，429接收信號可直接和DEI1016芯片連接，不需要進行電平轉換。

429控制電路由CPLD和F206的I/O接口實現(xiàn)。協(xié)議芯片所需時鐘由F206計時器提供，通過配置F206計時器寄存器，由計時器產生頻率為1 MHz，占空比50%的時鐘信號供429協(xié)議芯片使用。

429電路的狀態(tài)信號“#DR1（通道1接收完畢）”、“#DR2（通道2接收完畢）”、“TXR（數(shù)據(jù)發(fā)送準備好）”由F206的I/O接口用查詢的方式判斷，在F206的初始化時，將這3個I/O接口設置為輸入方式，429的“ENTX（發(fā)送使能）”信號也由F206的I/O接口產生，加載數(shù)據(jù)時將該信號置高，在數(shù)據(jù)加載到發(fā)送寄存器后，將該信號置低，從而發(fā)送429數(shù)據(jù)，該I/O接口在F206初始化時設置為輸出。endprint

5）控制邏輯電路設計。導航模塊控制邏輯電路主要用于控制429數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收和產生擴展SRAM的片選信號。429電路的“讀429 WORD1”、“讀429 WORD2”、“加載數(shù)據(jù)到WORD1”、“加載數(shù)據(jù)到WORD2”、“寫429控制字”、“復位429芯片”和“數(shù)據(jù)空間擴展RAM片選”控制邏輯均由CPLD實現(xiàn)，譯碼采用F206數(shù)據(jù)空間的高位地址譯碼，譯碼的地址空間分配如表1所示。

表1 譯碼地址空間分配

信號名稱 地址空間 信號說明 信號性質

#EN1 70XXh 讀429WORD1 讀（低有效）

#EN2 72XXh 讀429WORD2 讀（低有效）

#PL1 74XXh 加載數(shù)據(jù)到WORD1 寫（低有效）

#PL2 76XXh 加載數(shù)據(jù)到WORD2 寫（低有效）

#CWSTR 78XXh 寫429控制字 寫（低有效）

#RES 7AXXh 復位429芯片 寫（低有效）

#RCS 8000h～FFFFh 數(shù)據(jù)空間擴展RAM片選 低有效

6）GPS數(shù)據(jù)接收電路的設計。GPS數(shù)據(jù)接收采用Superstar II OEM模塊實現(xiàn)，該OEM模塊具有的特點為：12個衛(wèi)星接收通道，數(shù)據(jù)以異步串行方式傳輸，數(shù)據(jù)輸出波特率可調，數(shù)據(jù)輸出協(xié)議可選擇，數(shù)據(jù)輸出內容可選擇，5 V供電。

使用該GPS接收模塊，數(shù)據(jù)以異步串行方式傳輸，接口電平滿足RS232標準，默認傳輸波特率為9600 bps，數(shù)據(jù)為2進制協(xié)議，F(xiàn)206本身帶有一個異步串行接口，GPS數(shù)據(jù)可直接通過F206串口接收，通過初始化將F206串口設置為和GPS模塊相同的波特率，即可正確接收GPS數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過解算，即可得到需要的時間、高度、速度、經(jīng)緯度等信息，也可通過軟件設置，選擇獲得其他需要的GPS信息。

7）SRAM電路的設計。為提高導航模塊的性能和方便調試，設計中擴展了64 kB程序RAM和64 kB數(shù)據(jù)RAM。

程序RAM占用F206程序存儲空間（PS）0000h-7ffffh，可和F206的數(shù)據(jù)地址總線直接連接，通過硬件跳線對F206 MP/MC信號的配置，可選擇F206程序運行的起始空間，有外部程序RAM空間和內部EEPROM空間可選，在開發(fā)調試階段，選擇外部程序RAM空間能夠方便程序的修改調試，此時可通過開發(fā)環(huán)境加載程序到該RAM空間運行，進行軟件調試。由于該部分RAM電路僅用于調試階段使用，因此將該部分電路設計為一個可拆卸子卡，在調試中安裝該子卡，用于加載程序進行調試，調試完畢后，可拆除子卡，將最終程序固化到F206的片內EEPROM上運行，可節(jié)約模塊布局空間和降低成本。

數(shù)據(jù)RAM占用數(shù)據(jù)存儲空間（DS）8000h-ffffh地址范圍，用于存放導航模塊運行時產生的計算數(shù)據(jù)，提高導航模塊的運算性能。

2.2 開發(fā)環(huán)境及軟件配置

1）TMS320F206開發(fā)環(huán)境。TI公司為TMS320系列DSP提供了專門的仿真、調試和燒錄開發(fā)環(huán)境，目前最新的版本為CCS3.3，支持C、C++和匯編語言編程，在開發(fā)環(huán)境中，可對軟件進行連續(xù)，單步調試，訪問DSP中的寄存器，用戶使用非常方便。

2）GPS接收信息的處理。GPS-OEM模塊提供有專用軟件和專用調試模塊，通過該套系統(tǒng)，可對模塊功能的正確性進行檢測，同時通過專用的軟件配置，可向用戶提供多種GPS信息，并且能以2種數(shù)據(jù)格式（2進制、NMEA）和多種波特率（2400～115200）輸出。

GPS-OEM模塊向用戶提供多達上百組的數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)都有一個數(shù)據(jù)編號（ID# XX），并按照一定的相關性包含一類數(shù)據(jù)，用戶可根據(jù)需要讓GPS-OEM模塊選擇性地輸出某個數(shù)據(jù)組，DSP接收端須要按照一定的規(guī)則，才能正確地接收到數(shù)據(jù)組，并將所需信息從數(shù)據(jù)組中提取出來。

3 結束語

基于TMS320F206設計的導航模塊，可在復雜、嚴苛的工作環(huán)境下實現(xiàn)精確導航的功能，同時具有低成本、高可靠性、高性能的特點，目前已在多個項目中得到了應用，使用效果優(yōu)秀，通過不斷的完善改進，該導航模塊可在航空、航天、船舶等更大的范圍中得到推廣應用。

參考文獻

[1]TEXAS INSTRUMENTS.TMS320C20xUsers Guide.Literature Number： SPRU127CApril 1999.

[2]TEXAS INSTRUMENTS.TMS320F206DIGITAL SIGNAL PROCESSOR.Literature Number： SPRS050-NOVEMBER 1996.

[3]馮重熙，錢亞生，姚彥.現(xiàn)代數(shù)字通信技術[M].北京：人民郵電出版社，1994.

[4]蘇濤，等.DSP實用技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2002.

[5]房建成，等.GPS組合導航在車輛導航中的應用[A].第一屆GPS論文集[C].1995.endprint

5）控制邏輯電路設計。導航模塊控制邏輯電路主要用于控制429數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收和產生擴展SRAM的片選信號。429電路的“讀429 WORD1”、“讀429 WORD2”、“加載數(shù)據(jù)到WORD1”、“加載數(shù)據(jù)到WORD2”、“寫429控制字”、“復位429芯片”和“數(shù)據(jù)空間擴展RAM片選”控制邏輯均由CPLD實現(xiàn)，譯碼采用F206數(shù)據(jù)空間的高位地址譯碼，譯碼的地址空間分配如表1所示。

表1 譯碼地址空間分配

信號名稱 地址空間 信號說明 信號性質

#EN1 70XXh 讀429WORD1 讀（低有效）

#EN2 72XXh 讀429WORD2 讀（低有效）

#PL1 74XXh 加載數(shù)據(jù)到WORD1 寫（低有效）

#PL2 76XXh 加載數(shù)據(jù)到WORD2 寫（低有效）

#CWSTR 78XXh 寫429控制字 寫（低有效）

#RES 7AXXh 復位429芯片 寫（低有效）

#RCS 8000h～FFFFh 數(shù)據(jù)空間擴展RAM片選 低有效

6）GPS數(shù)據(jù)接收電路的設計。GPS數(shù)據(jù)接收采用Superstar II OEM模塊實現(xiàn)，該OEM模塊具有的特點為：12個衛(wèi)星接收通道，數(shù)據(jù)以異步串行方式傳輸，數(shù)據(jù)輸出波特率可調，數(shù)據(jù)輸出協(xié)議可選擇，數(shù)據(jù)輸出內容可選擇，5 V供電。

使用該GPS接收模塊，數(shù)據(jù)以異步串行方式傳輸，接口電平滿足RS232標準，默認傳輸波特率為9600 bps，數(shù)據(jù)為2進制協(xié)議，F(xiàn)206本身帶有一個異步串行接口，GPS數(shù)據(jù)可直接通過F206串口接收，通過初始化將F206串口設置為和GPS模塊相同的波特率，即可正確接收GPS數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過解算，即可得到需要的時間、高度、速度、經(jīng)緯度等信息，也可通過軟件設置，選擇獲得其他需要的GPS信息。

7）SRAM電路的設計。為提高導航模塊的性能和方便調試，設計中擴展了64 kB程序RAM和64 kB數(shù)據(jù)RAM。

程序RAM占用F206程序存儲空間（PS）0000h-7ffffh，可和F206的數(shù)據(jù)地址總線直接連接，通過硬件跳線對F206 MP/MC信號的配置，可選擇F206程序運行的起始空間，有外部程序RAM空間和內部EEPROM空間可選，在開發(fā)調試階段，選擇外部程序RAM空間能夠方便程序的修改調試，此時可通過開發(fā)環(huán)境加載程序到該RAM空間運行，進行軟件調試。由于該部分RAM電路僅用于調試階段使用，因此將該部分電路設計為一個可拆卸子卡，在調試中安裝該子卡，用于加載程序進行調試，調試完畢后，可拆除子卡，將最終程序固化到F206的片內EEPROM上運行，可節(jié)約模塊布局空間和降低成本。

數(shù)據(jù)RAM占用數(shù)據(jù)存儲空間（DS）8000h-ffffh地址范圍，用于存放導航模塊運行時產生的計算數(shù)據(jù)，提高導航模塊的運算性能。

2.2 開發(fā)環(huán)境及軟件配置

1）TMS320F206開發(fā)環(huán)境。TI公司為TMS320系列DSP提供了專門的仿真、調試和燒錄開發(fā)環(huán)境，目前最新的版本為CCS3.3，支持C、C++和匯編語言編程，在開發(fā)環(huán)境中，可對軟件進行連續(xù)，單步調試，訪問DSP中的寄存器，用戶使用非常方便。

2）GPS接收信息的處理。GPS-OEM模塊提供有專用軟件和專用調試模塊，通過該套系統(tǒng)，可對模塊功能的正確性進行檢測，同時通過專用的軟件配置，可向用戶提供多種GPS信息，并且能以2種數(shù)據(jù)格式（2進制、NMEA）和多種波特率（2400～115200）輸出。

GPS-OEM模塊向用戶提供多達上百組的數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)都有一個數(shù)據(jù)編號（ID# XX），并按照一定的相關性包含一類數(shù)據(jù)，用戶可根據(jù)需要讓GPS-OEM模塊選擇性地輸出某個數(shù)據(jù)組，DSP接收端須要按照一定的規(guī)則，才能正確地接收到數(shù)據(jù)組，并將所需信息從數(shù)據(jù)組中提取出來。

3 結束語

基于TMS320F206設計的導航模塊，可在復雜、嚴苛的工作環(huán)境下實現(xiàn)精確導航的功能，同時具有低成本、高可靠性、高性能的特點，目前已在多個項目中得到了應用，使用效果優(yōu)秀，通過不斷的完善改進，該導航模塊可在航空、航天、船舶等更大的范圍中得到推廣應用。

參考文獻

[1]TEXAS INSTRUMENTS.TMS320C20xUsers Guide.Literature Number： SPRU127CApril 1999.

[2]TEXAS INSTRUMENTS.TMS320F206DIGITAL SIGNAL PROCESSOR.Literature Number： SPRS050-NOVEMBER 1996.

[3]馮重熙，錢亞生，姚彥.現(xiàn)代數(shù)字通信技術[M].北京：人民郵電出版社，1994.

[4]蘇濤，等.DSP實用技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2002.

[5]房建成，等.GPS組合導航在車輛導航中的應用[A].第一屆GPS論文集[C].1995.endprint

5）控制邏輯電路設計。導航模塊控制邏輯電路主要用于控制429數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收和產生擴展SRAM的片選信號。429電路的“讀429 WORD1”、“讀429 WORD2”、“加載數(shù)據(jù)到WORD1”、“加載數(shù)據(jù)到WORD2”、“寫429控制字”、“復位429芯片”和“數(shù)據(jù)空間擴展RAM片選”控制邏輯均由CPLD實現(xiàn)，譯碼采用F206數(shù)據(jù)空間的高位地址譯碼，譯碼的地址空間分配如表1所示。

表1 譯碼地址空間分配

信號名稱 地址空間 信號說明 信號性質

#EN1 70XXh 讀429WORD1 讀（低有效）

#EN2 72XXh 讀429WORD2 讀（低有效）

#PL1 74XXh 加載數(shù)據(jù)到WORD1 寫（低有效）

#PL2 76XXh 加載數(shù)據(jù)到WORD2 寫（低有效）

#CWSTR 78XXh 寫429控制字 寫（低有效）

#RES 7AXXh 復位429芯片 寫（低有效）

#RCS 8000h～FFFFh 數(shù)據(jù)空間擴展RAM片選 低有效

6）GPS數(shù)據(jù)接收電路的設計。GPS數(shù)據(jù)接收采用Superstar II OEM模塊實現(xiàn)，該OEM模塊具有的特點為：12個衛(wèi)星接收通道，數(shù)據(jù)以異步串行方式傳輸，數(shù)據(jù)輸出波特率可調，數(shù)據(jù)輸出協(xié)議可選擇，數(shù)據(jù)輸出內容可選擇，5 V供電。

使用該GPS接收模塊，數(shù)據(jù)以異步串行方式傳輸，接口電平滿足RS232標準，默認傳輸波特率為9600 bps，數(shù)據(jù)為2進制協(xié)議，F(xiàn)206本身帶有一個異步串行接口，GPS數(shù)據(jù)可直接通過F206串口接收，通過初始化將F206串口設置為和GPS模塊相同的波特率，即可正確接收GPS數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過解算，即可得到需要的時間、高度、速度、經(jīng)緯度等信息，也可通過軟件設置，選擇獲得其他需要的GPS信息。

7）SRAM電路的設計。為提高導航模塊的性能和方便調試，設計中擴展了64 kB程序RAM和64 kB數(shù)據(jù)RAM。

程序RAM占用F206程序存儲空間（PS）0000h-7ffffh，可和F206的數(shù)據(jù)地址總線直接連接，通過硬件跳線對F206 MP/MC信號的配置，可選擇F206程序運行的起始空間，有外部程序RAM空間和內部EEPROM空間可選，在開發(fā)調試階段，選擇外部程序RAM空間能夠方便程序的修改調試，此時可通過開發(fā)環(huán)境加載程序到該RAM空間運行，進行軟件調試。由于該部分RAM電路僅用于調試階段使用，因此將該部分電路設計為一個可拆卸子卡，在調試中安裝該子卡，用于加載程序進行調試，調試完畢后，可拆除子卡，將最終程序固化到F206的片內EEPROM上運行，可節(jié)約模塊布局空間和降低成本。

數(shù)據(jù)RAM占用數(shù)據(jù)存儲空間（DS）8000h-ffffh地址范圍，用于存放導航模塊運行時產生的計算數(shù)據(jù)，提高導航模塊的運算性能。

2.2 開發(fā)環(huán)境及軟件配置

1）TMS320F206開發(fā)環(huán)境。TI公司為TMS320系列DSP提供了專門的仿真、調試和燒錄開發(fā)環(huán)境，目前最新的版本為CCS3.3，支持C、C++和匯編語言編程，在開發(fā)環(huán)境中，可對軟件進行連續(xù)，單步調試，訪問DSP中的寄存器，用戶使用非常方便。

2）GPS接收信息的處理。GPS-OEM模塊提供有專用軟件和專用調試模塊，通過該套系統(tǒng)，可對模塊功能的正確性進行檢測，同時通過專用的軟件配置，可向用戶提供多種GPS信息，并且能以2種數(shù)據(jù)格式（2進制、NMEA）和多種波特率（2400～115200）輸出。

GPS-OEM模塊向用戶提供多達上百組的數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)都有一個數(shù)據(jù)編號（ID# XX），并按照一定的相關性包含一類數(shù)據(jù)，用戶可根據(jù)需要讓GPS-OEM模塊選擇性地輸出某個數(shù)據(jù)組，DSP接收端須要按照一定的規(guī)則，才能正確地接收到數(shù)據(jù)組，并將所需信息從數(shù)據(jù)組中提取出來。

3 結束語

基于TMS320F206設計的導航模塊，可在復雜、嚴苛的工作環(huán)境下實現(xiàn)精確導航的功能，同時具有低成本、高可靠性、高性能的特點，目前已在多個項目中得到了應用，使用效果優(yōu)秀，通過不斷的完善改進，該導航模塊可在航空、航天、船舶等更大的范圍中得到推廣應用。

參考文獻

[1]TEXAS INSTRUMENTS.TMS320C20xUsers Guide.Literature Number： SPRU127CApril 1999.

[2]TEXAS INSTRUMENTS.TMS320F206DIGITAL SIGNAL PROCESSOR.Literature Number： SPRS050-NOVEMBER 1996.

[3]馮重熙，錢亞生，姚彥.現(xiàn)代數(shù)字通信技術[M].北京：人民郵電出版社，1994.

[4]蘇濤，等.DSP實用技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2002.

[5]房建成，等.GPS組合導航在車輛導航中的應用[A].第一屆GPS論文集[C].1995.endprint