罗林燕+吴伯农

摘 要： 由于陀螺仪量程较小，难以应用于高转速载体的姿态测试中，因此设计了以MEMS线加速度计ADXL377和地磁传感器HMC1043为微惯性测量单元（MIMU）的微型角速度解算系统。系统以FPGA作为协处理器控制ADC模块对11路传感器信号的同步转化，并对转换后的数据进行及时采集、缓存；以DSP 芯片TMS320C6713作为主处理器完成角速度的实时解算。系统最大可测角速度达30 r/s，信号的采集、解算实时性强，角速度的测量精度高，而且电路半径仅5 cm，安装方便、功耗低。

关键字： 无陀螺捷联式惯性导航系统； 角速度解算； ADXL377； TMS320C6713

中图分类号： TN911.7?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）15?0089?05

Design of angular velocity resolving system for high rotation carrier

based on DSP and FPGA

LUO Lin?yan， WU Bo?nong

（North China University of Technology， Beijing 100144， China）

Abstract： To solve the problem that gyroscope can not be used in the attitude testing of high rotation carrier due to its smmal measuring range， a mini angular velocity resolving system was designed to detect angular velocity. The system takes MEMS accelerometer ADXL377 and geomagnetic sensor HMC1043 as MIMU， FPGA as its coprocessor to control the ADC module to make the 11?way sensor signals converted synchronously， and DSP chip TMS320C6713 as core processor to achieve real?time resolving of angular velocity. The system has a large measuring range and high?accuracy in detection of angular velocity， and high performance in high?speed real?time information accquisition and resolving， as well as small size， easy installation and low power consumption. The system′s maximum angular detecting speed is up to 30 r/s.

Keywords： gyroscope free strap?down inertial navigation system； angular velocity resolving； ADXL377； TMS320C6713

0 引 言

常规的角速度测量采用陀螺仪，但陀螺仪量程小，且内含有不可转动部件，不能承受大的线加速度冲击，难以满足高转速载体的测量要求。在无陀螺捷联式惯性导航系统中（GFSINS），采用线加速度代替陀螺仪，从线加速度计的输出中解算出角加速度及角速度[1]。

目前，国内对无陀螺捷联式惯性导航系统的研究，系统MIMU以九加速度计和八加速度计两种方案为主。以九加速度计与磁强计为MIMU的系统，能完备地解算出载体的三维姿态信息，且解算精度较高，但需要立体安装多个加速度计，而无陀螺捷联式惯性导航系统对安装误差非常敏感[2]。本系统只要求解算出载体的角速度，且载体的连续飞行时间较短，加速度计的累积误差有限，所以选用只需要对加速度计进行平面安装的八加速度计方案，同时选用磁强计实时修正解算结果。

MEMS加速度计不仅量程大，精度高，可靠性高，寿命长，成本低，能进行多轴输出，而且体积小、安装方便，是捷联式惯性导航系统的理想选择。以FPGA作为协处理器，不仅可以把DSP从繁琐的数据采集及缓存中断中解脱出来，专注于角加速度及角速度的解算，还可以以硬件的方式设计系统与其他计算机的接口，提高了效率，节省了系统成本，减小了体积。

1 系统总体方案设计

八加速度计及磁强计的安装方式如图1所示，其中[x]轴为载体的纵轴方向，编号1～8为加速度计，编号9～11为磁强计，箭头方向为加速度或磁强计的敏感方向[3?4]。

由文献[2]可知，某一加速度计的输出表达式为：

[A=（θb）T?（fb+Ωbib?rb+（Ωbib）2?rb）] （1）

式中：[θb]表示该加速度计敏感方向向量在载体系中的投影；[fb]表示载体质心处的比力矢量在载体系中的投影；[Ωbib]表示载体坐标系相对惯性系旋转角速度向量[wbib]的反对称矩阵；[rb]表示加速度安装位置处相对载体中心的位置矢量。由式（1）可得角加速度的计算公式为：

[wbib=（JTJ）-1JT?A1?Aj?An-M?F（wbib）] （2）

式中：[Jj=[（rbj×θbj）T（θbj）T]]

[Fwbib=wbibx2 wbiby2 wbibz2 wbibywbibz wbibxwbibz wbibxwbibyT]

[Mj=-θbjyrbjy-θbjzrbjz-θbjxrbjx-θbjzrbjz-θbjxrbjx-θbjyrbjyθbjzrbjy+θbjyrbjzθbjzrbjx+θbjxrbjzθbjyrbjx+θbjxrbjyT]

图1 八加速度计及磁强计安装示意图

则角速度可通过对式（2）积分得到：

[wbibt=wbib（0）+0twbibτdτ] （3）

系统最高可测转速达30 r/s，加速度计距载体中心的距离[rb]均为40 mm，加速度计的最大输出[1，5][A]=145 g。磁强计与加速度计建立观测方程，对系统的解算结果进行校正[6]。

1.1 加速度计与磁传感器的选择与安装

加速度计选用Analog Devices于2012年推出的首款模拟MEMS三轴高g加速度计ADXL377。该器件量程高达±200 g，完全满足高转速载体的测试要求；灵敏度为6.5 mV/g；[x，][y，][z]三轴的输出带宽均可根据用户需要进行设置，最高可达1 300 Hz；其体积仅为3 mm×3 mm×1.45 mm，电路板空间比需要多个单轴加速度计的典型解决方案缩小了至少5倍；且加速度计无需初始对准及放置正交传感器。在本系统中，共选用4个ADXL377加速度计（每个加速度计都只采集[x]轴和[y]轴的输出信号），分别安装在图1中箭头1和2、箭头3和4、箭头5和6、箭头7和8的交点处，传感器的[x，][y]敏感轴分别与箭头所指方向对齐。

磁强计选用美国霍尼韦尔公司的三轴表面安装磁传感器HMC1043。该器件适用于地磁场磁性传感，灵敏度极高，可达1.0 mV/V/guass（设置/重置电流为0.5 A时），且分辨率为120 μguass（带宽为50 kHz，电桥电压5 V时），进行简单的信号放大后便可进行地磁场测量；其体积为3 mm×3 mm× 1.40 mm，方便在狭小的空间安装。本系统选用一个HMC1043地磁传感器，安装在图1的质心处，传感器的敏感轴方向分别与9，10，11箭头所指方向对齐。

2 系统硬件设计

角速度解算系统的硬件结构如图2所示，主要包括MIMU单元、信号调理电路、A/D转换模块、FPGA协处理器模块、DSP数据处理部分和存储系统。

图2 角速度解算系统硬件系统结构框图

MIMU输出的模拟信号经信号调理电路低通滤波、放大后，进行A/D转换。在FPGA中设计了ADC控制器、FIFO存储器。由ADC控制器对A/D转换模块的启动、输出模式进行控制；A/D转换芯片输出的数字信号送入FIFO存储器进行缓存，DSP及时读走FIFO存储器中的数据，防止FIFO中的数据溢出；ADC控制器与FIFO存储器通过握手信号进行通信，ADC控制器的工作状态由DSP以操作外设存储器的方式进行控制。

为满足角速度解算时需要快速处理大容量数字信号的要求，本系统选用TI公司的新型浮点DSP芯片TMS320C6713作为主处理器。该芯片主频最高可达200 MHz；CPU采用Veloci TI结构，具有8个独立的功能单元（包括2个乘法器和6个算术逻辑单元），可同时执行8条32位指令，其运算能力可达1 GFLOPS。

为实现对MIMU单元中11通道模拟信号（8路加速度计信号和3路磁强计信号）的实时、同步采集，系统选用两片AD7656作为模/数转化芯片。该芯片内置6个16位、快速、低功耗逐次逼近型ADC，并且允许6个ADC同时工作；最高吞吐率可达250 KSPS，转化时间仅为3.1 μs，并且内置低噪声、宽带宽采样保持放大器，可处理高达4.5 MHz的输入频率；输入/输出模式均可进行软硬件配置。

2.1 MIMU单元电路设计

2.1.1 ADXL377电路设计

在进行高转速载体的角速度解算时，要求高转速载体上传感器的输出信号尽可能的实时、准确，从而提高解算精度。为此，在不超过后端A/D芯片模拟信号最高输入频率的前提下，尽量提高传感器输出信号的发生频率。本系统把ADXL377加速度传感器[x，][y，][z]轴的信号输出频率均设为1 kHz。ADXL377加速度传感器的功能框图如图3所示。只需按要求配置[Cx，][Cy，][Cz，]则可得到相应轴的信号发生频率。本系统中，[Cx，][Cy，][Cz]均配为0.005 μF。

图3 ADXL377功能框图

2.1.2 HMC1043复位电路设计

为了保持磁传感器的高灵敏度及灵敏度的线性特性，同时降低交叉轴效应和温度效应，需要定期对磁传感器进行复位。本系统中，为了防止系统其他部分对磁传感器的电磁干扰，磁传感器的PCB电路与系统其他电路分离开来，以插针的形式进行连接。

磁传感器复位电路如图4所示。为了简化系统设计，复位电路采用单极性脉冲电路，手动复位。每次测量前，对磁传感器进行一次复位。

图4 磁传感器HMC1043复位电路

2.2 模/数转换芯片AD7656工作方式设置

AD7656模/数转换芯片有两种启动转换的方式：硬件方式和软件方式。本系统中，为了节省DSP和FPGA资源，全部采用硬件方式。在硬件方式下，启动转换需要一个完整的CONVST脉冲，在脉冲的上升沿开始转换。每片AD7656包含CONVST A，CONVST B，CONVST C三个启动引脚，可分别启动通道V1，V2，V3，V4，V5，V6进行转换。本系统中，为了实现8路线加速计信号和3路磁强计数据的同步转换，将两片AD芯片的上述三个启动引脚全连接到一起，由一个控制信号驱动。A/D转换时钟由芯片内部提供，基准电压选用芯片内部基准电压。

为了提高数据采集的速度，本系统对模/数转换完成后的数据设置为并行方式输出，每片A/D芯片的16根数据线直接与FPGA的16个I/O口进行连接，而系统选用的FPGA芯片XC3S400A最大可用I/O为311个，可满足设计要求。同时为了便于后期的DSP数据处理，数据以字的模式输出。

2.3 FPGA功能设计

若DSP直接操作ADC芯片，频繁地接收来自ADC芯片的反馈信号，进入中断程序读取ADC输出总线上的数据，不仅降低了DSP的工作效率，而且影响角速度解算的实时性、精度。为此，系统采用FPGA设计了ADC控制器、FIFO存储器。其中ADC控制器负责对A/D芯片的控制，FIFO存储器用来缓存模/数转化完成后的数据。

2.3.1 ADC控制器设计

从AD7656的并行接口时序图[1]可以看出，AD7656的启动转换较为简单，但转换后数据的读取，因涉及到6个通道的数据，较为复杂。而6个通道的数据读取是按照一定的顺序进行的，并且各阶段均有相应的启动和状态信号，所以系统引用状态机的方式来实现ADC控制器。图5为ADC控制器的状态转移图，整个ADC控制器（状态机）共分为5个状态：开始、转换、读数据、间歇、空闲，不同状态之间的转移严格遵照AD7656并行接口的时序要求。

图5 ADC控制器状态转移图

（1） 在开始状态下，ADC控制器将连接AD7656 CONVEST的引脚拉高，启动转换，直至AD7656输出的反馈信号忙（BUSY）变为高电平，表明A/D转化已成功启动，此时再把CONVEST引脚拉低，为下一次转换做准备。

（2） 转换状态。ADC控制器不输出任何控制信号，等待AD7656完成模/数转换（转换时间大约为3.1 μs），直至忙（BUSY）引脚输出低电平，表明模/数转换已完成。

（3） 读数据状态。当忙（BUSY）输出低电平后，便进入这一状态，开始读某一通道的数据。A/D转换完成后，数据寄存在ADC输出数据寄存器中，需要及时启动读信号线RD将数据读出，写入本系统设计的FIFO中，并等待FIFO写成功信号（Fifo WrRe）有效。若FIFO写成功信号（Fifo WrRe）有效，ADC控制器则进入下一状态——间隔。

（4） 间隔状态。某一通道的数据成功写入FIFO后，ADC控制器进入这一状态。设置间隔状态的主要目的，是因为对6个通道数据的读取不能持续进行，同时也为了辨别每个通道数据在FIFO中的存放位置，便于DSP对数据的提取。在间隔状态下，模/数转换芯片的读信号线无效，数据的读取暂时停止。只要6个通道数据的读取没有全部完成，并且FIFO写成功信号无效，几个时钟周期后ADC控制器又会返回读数据状态，继续对下一个通道数据进行读取。若是6个通道数据的读取全部完成，则进入空闲状态。

（5） 空闲状态。其是一种待命状态，不对外界发送任何控制信息，但每个时钟周期均会检验一次CONVEST信号，一旦有效，控制器便会转入开始状态。

ISE的状态机工具STATE CAD可以把图5所示的状态转移图直接转换为相应的VHDL/Verilog代码，但本系统为了把每个通道数据准确地存放在系统指定存储区域中，需要在读每个通道数据的同时设计计数器，同时也为了调试的方便，ADC控制器部分的代码采用手动编写。

2.3.2 FIFO存储器设计

FIFO的设计可以使DSP专注于数据解算而无需频繁的进行数据读取操作，当FIFO中的数据达到一定量时，DSP再对FIFO中的数据集中读取，使低速的ADC可以与高速的DSP协调工作，并提高DSP的效率。同时AD7656模/数转换完成后，数据的输出顺序是第一通道、第二通道…第六通道，而FIFO属于先进先出的存储器，当DSP需要读取某一通道的数据时，寻址非常方便。

Xilinx提供了免费的IP核FIFO Generator v4.3用来生成FIFO。利用该IP核，用户可自主配置、选择存储器的存储深度、数据宽度、读数据方式、状态标志、握手信号、存储器空/满信号等。

本系统为两片ADC分别设计了一片FIFO，调用FPGA内部的块状RAM实现，每片FIFO的存储深度均设为2 KB，写入数据宽度和输出数据宽度均设为16位；FIFO的读/写时钟采用异步，写时钟为10 KHz，读时钟为1 MHz；FIFO的读采取首字直传模式（First Word Fall Through，FWFT），避免读操作时一个周期的延迟。

图6为ADC控制器与FIFO的连接图。模/数转换完成后，转换数据出现在AD7656的输出数据总线上，ADC控制器便启动WR EN信号，向FIFO中写数据；进行下一通道数据的写操作前，ADC控制器先检测写成功信号（Fifo WrRe）是否有效，只有写成功信号有效，才继续写数据，从而保证写操作的正确性；DSP不断查询FIFO反馈的满信号FULL是否有效，若FIFO已满，则DSP及时将FIFO中的数据读走。

图6 ADC控制器与FIFO的连接图

2.4 FPGA与DSP的通信设计

本系统中，FPGA作为DSP的异步外设，接在DSP的外存储器接口EMIF上，如图7所示。TMS320C6713的异步接口非常方便，用户除了通过硬件连接改变读/写时序以外，还可以通过对EMIF全局控制寄存器和相应的CEX空间控制寄存器进行参数配置来改变读写周期，实现与不同速度和类型的异步器件的直接接口。为了方便DSP对FPGA中的不同功能模块读/写，系统以配置控制寄存器参数的方式为主。TMS320C6713的EMIF整个外部空间容量为64 MB，分为CE0～CE3四个区间，每个空间彼此独立，可以进行不同的访问控制。系统将CE2，CE3两个区间分配给FPGA：区间CE2用来设计ADC控制器，占用的地址范围为0xA0000000～0xA0000FF；区间CE3用来设计FIFO，共调用4 KB的空间用来存储数据，其他空间用来设计相关的控制寄存器。

图7 DSP与FPGA接口示意图

图7中，FPGA部分的CE，OE等接口，实物连接时均为FPGA的I/O口。DSP遵照异步读写的时序要求来控制CEX，AOE，AWE三根信号线，实现对FPGA的控制。

3 系统软件设计

系统的程序流程如图8所示。系统复位后，对系统的各个模块进行初始化设置，主要包括系统状态设置、EMIF端口设置、数据采集频率设置、中断寄存器设置等；初始化完成后，启动定时器，等待中断发生；中断发生后，软件开始读取FIFO中的数据，并将读取到的数据导入滤波和角速度解算函数，开始滤波、解算，并将解算结果实时输出到上位机和指定的存储位置；若预定的解算时间到达，结束程序，若预定的解算时间还未到达，则等待下一次中断，继续读取数据、解算。

图8 系统程序流程图

4 结 语

本文设计的角速度解算系统最高可测转速达30 r/s，解决了陀螺角速度测量范围小，不能承受较大线性冲击的问题。整个系统电路半径仅5 cm，装载方便；MEMS三轴高g平面加速度计和三轴磁传感器的选用，不仅使大量程角速度解算系统的研制成为可能，同时也消除了以往多个传感器立体安装引起的误差。以FPGA作为协处理器，实现了对多路传感器信号的高速实时采集，显著提高了DSP解算角速度的效率，同时也用FPGA设计了其他接口，减少了芯片数量，降低了功耗，节省了成本。

参考文献

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[13] 陈国彬，张晓明，崔星，等.基于磁阻传感器的相对转速测量系统[J].弹箭与制导学报，2011，31（5）：196?199.

[14] 常树茂，王利，弓楠.基于地磁传感器的弹丸转数测试[J].弹箭与制导学报，2011，31（5）：200?205.

[15] ADI公司.AD7656数据手册[EB/OL].[2012?11?06].http：//wenku.baidu.com.

图7 DSP与FPGA接口示意图

图7中，FPGA部分的CE，OE等接口，实物连接时均为FPGA的I/O口。DSP遵照异步读写的时序要求来控制CEX，AOE，AWE三根信号线，实现对FPGA的控制。

3 系统软件设计

系统的程序流程如图8所示。系统复位后，对系统的各个模块进行初始化设置，主要包括系统状态设置、EMIF端口设置、数据采集频率设置、中断寄存器设置等；初始化完成后，启动定时器，等待中断发生；中断发生后，软件开始读取FIFO中的数据，并将读取到的数据导入滤波和角速度解算函数，开始滤波、解算，并将解算结果实时输出到上位机和指定的存储位置；若预定的解算时间到达，结束程序，若预定的解算时间还未到达，则等待下一次中断，继续读取数据、解算。

图8 系统程序流程图

4 结 语

本文设计的角速度解算系统最高可测转速达30 r/s，解决了陀螺角速度测量范围小，不能承受较大线性冲击的问题。整个系统电路半径仅5 cm，装载方便；MEMS三轴高g平面加速度计和三轴磁传感器的选用，不仅使大量程角速度解算系统的研制成为可能，同时也消除了以往多个传感器立体安装引起的误差。以FPGA作为协处理器，实现了对多路传感器信号的高速实时采集，显著提高了DSP解算角速度的效率，同时也用FPGA设计了其他接口，减少了芯片数量，降低了功耗，节省了成本。

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[15] ADI公司.AD7656数据手册[EB/OL].[2012?11?06].http：//wenku.baidu.com.

图7 DSP与FPGA接口示意图

图7中，FPGA部分的CE，OE等接口，实物连接时均为FPGA的I/O口。DSP遵照异步读写的时序要求来控制CEX，AOE，AWE三根信号线，实现对FPGA的控制。

3 系统软件设计

系统的程序流程如图8所示。系统复位后，对系统的各个模块进行初始化设置，主要包括系统状态设置、EMIF端口设置、数据采集频率设置、中断寄存器设置等；初始化完成后，启动定时器，等待中断发生；中断发生后，软件开始读取FIFO中的数据，并将读取到的数据导入滤波和角速度解算函数，开始滤波、解算，并将解算结果实时输出到上位机和指定的存储位置；若预定的解算时间到达，结束程序，若预定的解算时间还未到达，则等待下一次中断，继续读取数据、解算。

图8 系统程序流程图

4 结 语

本文设计的角速度解算系统最高可测转速达30 r/s，解决了陀螺角速度测量范围小，不能承受较大线性冲击的问题。整个系统电路半径仅5 cm，装载方便；MEMS三轴高g平面加速度计和三轴磁传感器的选用，不仅使大量程角速度解算系统的研制成为可能，同时也消除了以往多个传感器立体安装引起的误差。以FPGA作为协处理器，实现了对多路传感器信号的高速实时采集，显著提高了DSP解算角速度的效率，同时也用FPGA设计了其他接口，减少了芯片数量，降低了功耗，节省了成本。

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