淺析DSP下的車載導(dǎo)航系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

　　數(shù)字信號微處理器DSP具有高速運行與數(shù)據(jù)處理的功能，以其高性能和低功耗的優(yōu)勢為實時導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)學(xué)計算提供了有效的硬件平臺。在現(xiàn)代武器裝備中，設(shè)計了基于DSP芯片的車載導(dǎo)航系統(tǒng)，其在民用和軍事領(lǐng)域均發(fā)揮著重要作用，系統(tǒng)具有高可靠性、安全性等特點。

　　1 車載導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理

　　車載導(dǎo)航系統(tǒng)的主要功能是定時采集陀螺正交編碼信號、加速度計的輸入和里程計輸入信號，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，以實現(xiàn)導(dǎo)航解算。同時將采集數(shù)據(jù)通過RS422總線和CAN總線發(fā)送至地面監(jiān)測設(shè)備;并通過RS422總線接收相關(guān)的命令及參數(shù)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 車載導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1 處理器及存儲器設(shè)計

　　車載導(dǎo)航系統(tǒng)電路采用TI公司的TMS320C6713B-A200作為DSP，該DSP芯片標(biāo)稱主頻為200 MHz，工作在160 MHz主頻時DSP處理能力為1600 MI·s-1/1 200MFLOPS。使用40 MHz的晶振作為DSP的時鐘輸入，經(jīng)內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻后作為DSP工作的時鐘，使用一片TPS70345電壓調(diào)整器為其提供3.3 V的IO電壓和1.2 V的內(nèi)核電壓;采用一片容量為16 MB的MT48LC4M3282TG-7IT芯片作為SDRAM的存儲器，存儲器直接接入DSP的EMIF總線上，SDRAM芯片的地址線BA1、BA0和A11～A0接DSP芯片的EA15～EA2，數(shù)據(jù)線D31～D0接ED31～ED0。FlashRom芯片的地址線A22～A0接DSP芯片的GP13～CP11和EA21～EA2，數(shù)據(jù)線DQ15～DQ0，接ED15～ED0，初始化時GP13～GP13個引腳的狀態(tài)為高，SDRAM芯片的片選信號接DSP芯片的CE0;采用一片容量為16 MB的S29GL128N10TFIR1芯片為FlashRom存儲器，F(xiàn)lashRom芯片的片選信號接DSP芯片的CE1。之所以DSP芯片的CE1接到FlashRom的片選上，是因其引導(dǎo)方式采用從ROM加載，BOOT程序存放在FlashRom存儲器中。存儲器的讀寫信號均接到DSP芯片的AWE信號上。DSP通過EMIF總線接口訪問外部存儲器，可通過操作寄存器控制對外部存儲器的訪問，簡化了電路的設(shè)計。

　　2.2 電源設(shè)計

　　車載導(dǎo)航系統(tǒng)輸入電源為27±9 V，經(jīng)MHF+28515將24 V轉(zhuǎn)換為+15 V和+5 V的電壓，MHF+28515的輸入電壓范圍為16～48 V，輸出功率15 W，其中+5 V電壓輸出最大功率為7.5 W，電流1 500 mA，+15 V電壓輸出功率最大分別為5 W，電路330 mA。由于車載導(dǎo)航系統(tǒng)電路自身+5 V電源使用的電流約為1000 mA，所以能提供+5 V，電流》140 mA的輸出給外部使用，為滿足系統(tǒng)中各部件的供電要求，設(shè)計了車載導(dǎo)航系統(tǒng)供電系統(tǒng)。

　　MHF+28515輸出的+5 V電源為整個模塊提供數(shù)字電源，其中CAN總線協(xié)議芯片等部分+5 V工作的芯片直接使用該電源;其他電路使用經(jīng)轉(zhuǎn)換后的電源其處理方法包括：通過電壓調(diào)整器TPS70345將+5 V電源轉(zhuǎn)換成3.3 V和1.2 V電源，其中3.3 V供DSP外圍電路及SDRAM、Flash等芯片使用，1.2 V供DSP內(nèi)核使用;通過電壓調(diào)整器TPS70351將+5 V電源轉(zhuǎn)換成3.3 V和1.8 V電壓，其中3.3 V供FPGA外圍電路、光耦等芯片使用，1.8 V供FPGA內(nèi)核使用;通過兩個DC/DC模塊NKE0503將+5 V電源轉(zhuǎn)換成3.3 V電壓，一個供RS422隔離電路中的MAX3490及光耦使用，另一個供RS232隔離電路中的MAX3232及光耦使用。通過一個DC/DC模塊NME0505將+5 V電源進(jìn)行隔離，供MAX481、CAN總線收發(fā)器和其通路上的光耦使用。MHF+28515輸出的±15 V電源為整個模塊提供模擬電源，其中+15 V電壓通過三端穩(wěn)壓器JW78M05將電壓轉(zhuǎn)換成+5 V模擬電壓，供LM3940IMP和REF196使用;+5 V模擬電壓通過LM3940IMP轉(zhuǎn)換成3.3 V模擬電壓，為運放供電;+5 V模擬電壓通過REF196轉(zhuǎn)換成3.3 V模擬電壓，為電橋供電;+15 V和-15 V電壓則是為運放OP497供電。

　　2.3 輸入信號

　　車載導(dǎo)航系統(tǒng)電路輸入信號有3路加速度計信號、3路陀螺信號、兩路里程計信號、兩路標(biāo)頻信號、一路行車狀態(tài)信號、9路狀態(tài)檢測信號和10路測溫信號。

　　加速度計信號的信號形式為可逆脈沖，幅值TTL，滿量程為256 kHz，經(jīng)3路16位計數(shù)器計數(shù)，上升沿觸發(fā)，中斷5鎖存，加速度計信號采用RC濾波和帶施密特觸發(fā)輸入的反向器進(jìn)行整形處理，然后通過74LVC244進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后引入FPGA中。

　　陀螺信號的信號形式為正交編碼信號，幅值高電平4～5 V，低電平0～0.8 V，電流≤8 mA，頻率≤1.5 MHz，相位差90°±20°，經(jīng)3路16位計數(shù)器計數(shù)，上升沿觸發(fā)，中斷5鎖存，陀螺信號也與加速度計信號相同，進(jìn)行整形處理。而標(biāo)頻信號頻率為128 kHz，幅值TTL，也信號需整形。因此，標(biāo)頻信號的處理形式和加速度計信號處理方法相同。

　　里程計信號包括兩路里程計信號、1路行車狀態(tài)信號和1路里程計地，幅值12 V，驅(qū)動能力30 mA，需光耦隔離，設(shè)置兩個16位計數(shù)器和1位狀態(tài)寄存器，分別記錄里程計脈沖輸入和狀態(tài)信息，里程計脈沖上升沿觸發(fā)計數(shù)，中斷5鎖存;要求行車狀態(tài)信號State可用命令使能和禁止，使能狀態(tài)下當(dāng)State=1時，里程計信號加法計數(shù);當(dāng)State=0時，減法計數(shù);禁止?fàn)顟B(tài)下里程計信號加法計數(shù)，里程計信號先經(jīng)RC濾波電路和保護(hù)二極管，然后經(jīng)光隔進(jìn)入FPGA。

　　狀態(tài)檢測信號包括3路跳模檢測信號、3路高壓狀態(tài)信號和3路機(jī)抖狀態(tài)信號，信號形式均為開關(guān)量，幅值為TTL，機(jī)抖狀態(tài)信號和高壓狀態(tài)信號需光耦隔離。跳模檢測信號處理形式和參數(shù)選擇與加速度計信號相同;高壓狀態(tài)信號和機(jī)抖檢測信號處理形式則與陀螺信號一致。

　　測溫信號包括10路測溫電阻輸入和1路測溫電阻輸入公共端，溫度范圍在-45～+70℃，測溫電阻與模塊上3個高精度電阻組成電橋，按照電橋工作原理，橋臂電阻的阻值應(yīng)小于測溫電阻的最小值，并應(yīng)當(dāng)考慮一定的冗余，溫度系數(shù)的計算公式為R0×3.85×10-3，其中R0是0℃電阻，由于采用了高精度電阻和12位的AD，A/D轉(zhuǎn)換精度》0.5 ℃，可用多路開關(guān)實現(xiàn)。電橋兩臂中點分別接入運算放大器進(jìn)行跟隨處理，再經(jīng)后級放大后由A/D轉(zhuǎn)換芯片采集溫度測試結(jié)果，A/D轉(zhuǎn)換芯片采用串行接口芯片，與DSP的McBSP1接口連接，該芯片分辨率為12位，并具有10 μs的轉(zhuǎn)換時間及最大11路的A/D輸入。

　　在車載導(dǎo)航系統(tǒng)電路設(shè)計中采用了CAN總線設(shè)計。CAN總線獨立控制器采用SJA1000T，使用16 MHz晶振作為時鐘輸入，可通過軟件配置ID號和數(shù)據(jù)傳輸波特率，最大速率為1 Mbit·s-1。其總線控制器使用數(shù)據(jù)地址復(fù)用總線，經(jīng)FPGA轉(zhuǎn)換后與DSPEMIF總線連接。CAN總線控制器信號采用TTL電平（5 V），與信號為3.3 V電平的FPGA之間需使用SN74LVC4245作電平轉(zhuǎn)換。CAN總線接收器采用Philips Semiconductors公司PCA82C250。其總線控制器與收發(fā)器之間的數(shù)據(jù)傳輸信號采用光耦進(jìn)行隔離。CAN總線接口電路如圖2所示。

　　圖2 CAN總線接口電路

　　2.4 FPGA設(shè)計

　　車載導(dǎo)航系統(tǒng)電路采用FPGA處理模塊上控制邏輯、各輸入信號的計數(shù)及實現(xiàn)串行接口通訊協(xié)議。FPGA對輸入信號進(jìn)行計數(shù)，并對標(biāo)頻信號分頻產(chǎn)生中斷5信號，產(chǎn)生中斷5信號的同時對各計數(shù)器值進(jìn)行鎖存。DSP可通過EMIF總線訪問FPGA的內(nèi)部資源，地址空間占用EMIF總線的CE2。FPGA的加載模式為主控串行模式（Master Serial Mode），F(xiàn)PGA功能框圖如圖3所示。FPGA設(shè)計包括加速度計信號計數(shù)器設(shè)計、陀螺信號計數(shù)器設(shè)計、里程計信號計數(shù)器設(shè)計、陀螺合頻計數(shù)器設(shè)計、標(biāo)頻分頻器設(shè)計、狀態(tài)檢測、故障檢測信號和串行通訊接口設(shè)計。

　　圖3 FPGA功能框圖

　　加速度計信號輸入為可逆脈沖，每個通道加速度計輸入包括3路信號，分別是+A、-A和GND，按照設(shè)計要求，+A信號上有脈沖時計數(shù)值增加，-A信號上有脈沖時計數(shù)值減少，當(dāng)頻標(biāo)分頻中斷產(chǎn)生時，將計數(shù)結(jié)果存入鎖存器內(nèi)。在FPGA中設(shè)計了16位的計數(shù)器，上電復(fù)位計數(shù)器為0，+A信號上有脈沖時計數(shù)值加1，-A信號上有脈沖時計數(shù)值減1，當(dāng)頻標(biāo)分頻中斷產(chǎn)生時，將計數(shù)結(jié)果存入鎖存器內(nèi)，DSP可通過EMIF訪問鎖存器得到加速度計信號計數(shù)器的結(jié)果。

　　陀螺信號輸入形式為正交編碼信號，每個通道陀螺信號輸入包括3路信號，分別是A、B和DGND，當(dāng)A相超前B相90°時計數(shù)值增加，當(dāng)A相落后B相90°時計數(shù)值減少。在設(shè)計時輸入信號先經(jīng)過鑒相電路，識別A路和B路信號的相位先后，并產(chǎn)生兩路4倍頻的可逆脈沖信號，然后對可逆脈沖進(jìn)行計數(shù)，當(dāng)標(biāo)頻信號中斷產(chǎn)生時，將計數(shù)結(jié)果存入鎖存器內(nèi)。

　　里程計信號包括兩路計數(shù)輸入和一路行車狀態(tài)信號輸入，計數(shù)輸入每路使用一個16 bit計數(shù)器，當(dāng)中斷產(chǎn)生時將計數(shù)器數(shù)值存入鎖存器;行車狀態(tài)信號（STATE）上電初始為無效狀態(tài)，用戶通過命令設(shè)置STATE狀態(tài)是否有效。其STATE信號處于有效狀態(tài)時，STATE為1，里程計計數(shù)器遞增計數(shù);若STATE為0時，里程計計數(shù)器遞減計數(shù);而當(dāng)STATE信號處于無效狀態(tài)時，里程計計數(shù)器遞增計數(shù)。

　　在FPGA中設(shè)計了16位計數(shù)器，上電復(fù)位計數(shù)器為0，計數(shù)器的值均增加，而計數(shù)器均加1，當(dāng)頻標(biāo)分頻中斷產(chǎn)生時，將計數(shù)結(jié)果存入鎖存器內(nèi)。DSP可通過EMIF訪問鎖存器得到陀螺合頻計數(shù)器的結(jié)果。

　　標(biāo)頻分頻器用來將標(biāo)頻信號分頻，產(chǎn)生鎖存FPGA內(nèi)加速度計數(shù)器、陀螺計數(shù)器、里程計計數(shù)器的計數(shù)值以及狀態(tài)檢測信號的狀態(tài)中斷信號。在FPGA中標(biāo)頻分頻器由一個預(yù)定標(biāo)器和一個計數(shù)器組成，可由軟件編程設(shè)置分頻，DSP通過EMIF總線向預(yù)定標(biāo)器寫入需分頻的數(shù)值，計數(shù)器記錄頻標(biāo)脈沖的個數(shù)，計數(shù)至定標(biāo)值時計數(shù)器輸出并清零，而計數(shù)器輸出至DSP的中斷，同時鎖存FPGA內(nèi)加速度計數(shù)器、陀螺計數(shù)器、里程計計數(shù)器的計數(shù)值以及狀態(tài)檢測信號的狀態(tài)。

　　狀態(tài)檢測信號為開關(guān)量信號，狀態(tài)存放在一個地址中，每一位代表一路的狀態(tài)。在FPGA中設(shè)計一個16位的寄存器，存放行車狀態(tài)、高壓檢測信號狀態(tài)、機(jī)抖檢測信號狀態(tài)及跳模檢測信號狀態(tài)，并在中斷時將信號鎖存到鎖存器中。

　　故障檢測信號是通過一個地址寫入故障檢測向量，根據(jù)故障檢測向量每一位具體是0或1，由可編程邏輯器件將故障檢測向量自動設(shè)置輸出引腳。在FPGA中設(shè)置一個8位的存儲器，用于存放故障檢測向量，信號經(jīng)驅(qū)動后輸出。

　　FPGA內(nèi)部設(shè)計了串行協(xié)議模塊，經(jīng)外接電路組成RS232和RS422串行接口。集成協(xié)議芯片參照ST16C2552進(jìn)行設(shè)計，對其MODEM控制等功能進(jìn)行了裁減。而串行接口工作波特率也均可設(shè)置。