一种NEXT系列产品OMAP和FPGA计算系统的制作方法

文档序号：11617634阅读：182来源：国知局

本发明属于导航系统领域的具体应用，尤其涉及一种next系列产品omap和fpga计算系统。

背景技术：

随着现代科学技术的发展，仿生偏振光传感器由于其独特的优点成为了研究的热点，并在导航中得到了越来越广泛的应用。而现在器件正趋于小型化、集成化，微惯性测量单元成为了惯性导航界研究的重点。利用仿生偏振光传感器辅助微惯性测量单。元完成导航任务，不仅应用范围不受限制，而且可以抑制惯性器件的误差累积，使微惯性器件的导航精度得到进一步提高。

国外早在上世纪60年代，瑞士苏黎世大学动物学院的wehner教授在研究沙蚁生物学时，同时研究了沙蚁的偏振光导航机理。出发点是沙蚁行为学，通过开展电生理学试验并利用生物解剖学对沙蚁的导航机制进行了探索，沙蚁导航信息的来源被发现并研究了其偏振视觉功能，提出了它的光电模型：沙蚁的单个小眼感知偏振光。并成功设计了仿生导航机器人，能够对沙蚁的导航行为进行模仿，借助于视觉传感器，实现了在地面上沙蚁的导航功能。其中sahabot系列机器人，最具有代表性，它的仿生偏振光导航罗盘是由lambrinos利用wehner提出的单个小眼感知偏振光的光电模型设计的。

相对于国外，国内对于仿生偏振光导航的研究，起步比较晚，不过也取得了一定的研究成果。尤其是近几年来，对偏振光导航的相关研究扩展到了越来越多的研究机构。哈尔滨工业大学的博士卢鸿谦通过仿真证实了一种有效的组合导航系统：将偏振光导航与天文导航、惯性导航组合起来；褚金奎教授带领他的大连理工大学的团队成员将仿沙蚁偏振光导航与mems技术结合起来，先是设计出了基于金属光栅的偏振器，再根据point-source测量方法，成功将偏振光导航传感器研制出来；2009年，北京大学也开始研究偏振光导航，其代表是晏磊教授，他分析了天空偏振模式图动态变化和单次散射条件下的偏振理论；北京邮电大学的杨福兴教授研究设计了一种偏振光导航的光电测试系统，并利用偏振光导航的并发式模型对实验数据进行了处理，实现结果验证了系统设计的有效性。

目前，美国、俄罗斯、澳大利亚、瑞士、瑞典的学者都在对仿生偏振光导航进行研究。作为一种新颖的导航技术，仿生偏振光导航引起了国内外科研人员的广泛关注。仿生偏振光导航是一种新型自主的导航方法，它基于地球自然光偏振特性，所以只要有自然光的地方，就可以进行偏振光导航。它以如沙蚁所具有的特别敏感的偏振视觉感知与导航功能为生物基础，其理论依据为太阳光的自然偏振特性，通过对大气偏振模式的检测和处理，提取出相应的信息，经过大脑和神经元的解算，判断出载体的航向。在卫星导航信号比较弱或无的陌生环境里，这种自主导航方式非常适合。

微惯性系统的长期导航的精度低，误差发散快，无法独立完成导航，并且微惯性系统的缺点是误差随着时间的累积而迅速累积。本发明将仿生偏振光传感器和微惯性系统有机结合起来，可以使组合后的导航系统性能比任意一个单独导航系统使用时有很大的提高。仿生偏振光/微惯性系统组合导航，取各自长，补各自短，克服了各自缺点，使综合后的导航精度高于两个系统单独工作的精度。

技术实现要素：

为了设计一种基于dsp﹢fpga架构的导航系统，发挥dsp强大的数据处理能力优势，发挥fpga强大的逻辑控制能力以及丰富的i/o资源优势：使dsp专注于导航解算，fpga扩展多路串口，用以接收导航所需的各种数据。本发明的目的在于提供一种next系列产品omap和fpga计算系统，该发明具有结构简单、集成度高、功耗低、运算速度快的特点。

为了实现上述系统，本发明采取的技术方案是：

一种next系列产品omap和fpga计算系统，其特征在于该系统由fpga系统、dsp系统、仿生偏振光传感器、a/d转换电路、里程计、mems、北斗/gps、高程计、pc机构成；具体的，a/d转换电路首先将仿生偏振光传感器采集到的偏振光信号转换成数字量，和mems数据一同输入fpga系统，fpga系统对数据进行整合和预处理并通过emifa接口输入dsp系统，dsp系统对接收的数据进行导航解算，便可以得到导航所需的速度、位置信息，将高程计信息输入dsp系统经解算可以得到海拔高度信息，同时还将里程计数据导入dsp系统，对导航解算进行校准，使解算的结果更加精确，最终，通过pc机可将导航信息显示出来，同时pc机还用于系统的硬件调试，因天气因素和地形因素，在有些时刻和地域，偏振光的采集可能会遇到障碍，基于卫星导航的高精度与实时性，因此特殊情况下系统会使用到卫星导航，这样，该系统便实现了地面导航所需的位置、速度、海拔信息。

在该omap和fpga计算系统中，所述fpga系统选用spartan-3系列xc3s200，它有173个用户i/o口，分布式ram容量30kbit，blockram容量216kbit，容量足够用，且性能可靠，成本低；本发明为使fpga的i/o与omap及其它各器件有较好的电气兼容性，将各banki/o口电压vcco配置为+3.3v；本发明采用两种加载模式：一是主串加载模式，其m[2:0]为000，利用一个platformflash装载fpga的初始化程序；二是jtagmode，其m[2:0]为101，由此，将m[1]一直设置为0，m[2]和m[0]用拨码开关将其一端引入高电平，一端引入低电平；jtag接口采用双排14脚插针，用以连接仿真器，在jtag接口与fpga之间加了几个小电阻，起到限流作用。

在该omap和fpga计算系统中，所述dsp系统选用ti公司的omap-l138芯片，omap-l138芯片中集成了一个c6000系列dsp处理器和一个arm9处理器，omap系列芯片不仅数据处理能力强大，并且还支持运行操作系统。能够以很低的功耗为无限终端设备提供非常好的性能，能够为数据、语音、多媒体应用提供所需的带宽和功能，该芯片可实现最高达456-mhz的单位内核频率，支持32bit/16bit指令；在该dsp系统中，电源电路选用ti公司的电源芯片tps650531，该芯片使用外部5v供电，可产生5路不同的电压值，其中前四路：l1、l2、vldo1、vldo2是输出电压大小可配置的，第五路输出vldo3的输出电压值为固定的1.2v；在该dsp系统中，omap的仿真器通过一标准的14脚接口和板卡jtag接口连接，jatg接口采用双排14脚插针，仿真器通过usb总线和pc机相连，在pc机上运行ccs（codecomposerstudio）软件在线仿真调试目标系统；在该dsp系统中，选用三星公司的ddr2sdramk4t51163作为存储器，选用美国飞索半导体公司（spansion）的norflashs29gl01gp作为系统的flash，norflash通过omap-l138的emifa接口与系统连接；在该dsp系统中，需要用到两种bootmode：norflashmode与emulationdebug（jtag调试模式），对应的boot[7:0]：分别为00000010与00011110，所以，将boot[7:6]与boot[1:0]全部接入低电平，boot[4:2]用拨码开关控制，一端接入高电平，一端接入地。

在该omap和fpga计算系统中，所述a/d转换电路选用ti公司的模数转换芯片ads8556，ads8556是16位高精度a/d转换芯片，信噪比可达91.5db，ads8556具有3组模拟输入通道，每组包括a、b两路通道，ads8556既支持单极性、也支持双极性输入信号，输入信号范围可配置为±2vref或±4vref，最大输入电压范围可达±12v；本发明配置stby为高电平，正常工作模式；par/ser为低电平，并行接口模式；refen/wr为高电平，内部参考电压源使能；rang/xclk为低电平，ad转换模拟通道电压输入范围为±4倍的内部参考电压值，word/byte为低电平，数据传递位数为16位；在本发明中，将hw/sw连接到fpga的一个用户io口，工作时先配置为高电平，对ads8556的控制寄存器cr进行配置，默认状态下cr[18]=0，对cr[18]写1，使ads8556内部参考电压值为+3v，这样便可以使ad转换模拟通道电压输入范围为±4×3v=±12v，满足偏振光模拟信号±10v的输入电压范围，配置完cr，再将hw/sw配置为低电平；在该a/d转换电路中，将三路模数转换开始信号连接到一起，实现六路通道的同步采样，将ads8556的16位的数据位连接到fpga，在fpga的时序控制下进行数据传递；本发明中采用opa2141和opa4141放大器作为a/d转换电路的前置放大，其中opa2141与opa4141分别为2通道、4通道，其内部原理同opa141一样；本发明选用一款稳压芯片lm7805，将外部输入的+15v电压转换为+5v，为ads8556模拟电路供电，为了使ads8556的i/o口电气特性与其他器件更好的兼容，本发明采用统一的+3.3v数字电压。

在该omap和fpga计算系统中，所述omap系统的工作运算流程如下所示：

步骤1、开始；

步骤2、初始化模块；

步骤3、启动定时器；

步骤4、中断等待判断，是则进行步骤5，否则重复步骤4；

步骤5、读入数据（mems，偏振光信号，gps或北斗，高程计，里程计）；

步骤6、导航解算；

步骤7、数据输出；

步骤8、启动定时器，转到步骤4。

本发明的有益效果是：

一种next系列产品omap和fpga计算系统，其特征在于，系统由fpga系统、dsp系统、仿生偏振光传感器、a/d转换电路、里程计、mems、北斗/gps、高程计、pc机构成；本发明基于dsp﹢fpga架构的导航系统，发挥了dsp强大的数据处理能力优势，发挥了fpga强大的逻辑控制能力以及丰富的i/o资源优势：使dsp专注于导航解算，fpga扩展多路串口，用以接收导航所需的各种数据，在fpga的时序控制下，将mems数据和经ad转换后的偏振光信息数据输入fpga，也将里程计、高程计、卫星数据输入fpga，fpga完成对这些数据的整合和预处理后输入dsp，dsp完成对接收数据的导航解算，最后通过上位机输出姿态、位置、速度信息。本发明具有结构简单、集成度高、功耗低、运算速度快的特点。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的解释说明。

图1是next系列产品omap和fpga计算系统总体框架图；

图2是omap-l138系统框图；

图3是系统供电电路图；

图4是jtag仿真调试电路图；

图5是bootmode选择电路图；

图6是fpga配置和jtag电路图；

图7是ad转换的前置放大电路图；

图8是omap系统的工作运算流程图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式为：所述的一种next系列产品omap和fpga计算系统，首先，a/d转换电路将仿生偏振光传感器采集到的偏振光信号转换成数字量，和mems数据一同输入fpga系统，fpga系统对数据进行整合和预处理并通过emifa接口输入dsp系统，dsp系统对接收的数据进行导航解算，便可以得到导航所需的速度、位置信息，将高程计信息输入dsp系统经解算可以得到海拔高度信息，同时还将里程计数据导入dsp系统，对导航解算进行校准，使解算的结果更加精确，最终，通过pc机可将导航信息显示出来，同时pc机还用于系统的硬件调试，因天气因素和地形因素，在有些时刻和地域，偏振光的采集可能会遇到障碍，基于卫星导航的高精度与实时性，因此特殊情况下系统会使用到卫星导航，这样，该系统便实现了地面导航所需的位置、速度、海拔信息。

图1是next系列产品omap和fpga计算系统总体框架图，该系统由fpga系统、dsp系统、仿生偏振光传感器、a/d转换电路、里程计、mems、北斗/gps、高程计、pc机构成；fpga系统通过扩展串口和里程计、mems、北斗/gps、高程计、pc机相连接，用于系统数据的整合和预处理，dsp系统和fpga系统通过dsp系统自带的emifa接口双向连接，用于实现系统的导航运算，仿生偏振光传感器用于采集偏振光信号，a/d转换电路用于将采集到的偏振光模拟信号转换为数字信号，里程计用于对载体速度信息进行校准，mems用于为系统提供水平角信息，高程计用于载体的海拔高度定位，pc机用于输出姿态角、速度、位置信息，实现组合导航的功能。

图2是omap-l138系统框图，所述dsp系统选用ti公司的omap-l138芯片，omap-l138芯片中集成了一个c6000系列dsp处理器和一个arm9处理器，omap系列芯片不仅数据处理能力强大，并且还支持运行操作系统。能够以很低的功耗为无限终端设备提供非常好的性能，能够为数据、语音、多媒体应用提供所需的带宽和功能，该芯片可实现最高达456-mhz的单位内核频率，支持32bit/16bit指令；在该dsp系统中，选用三星公司的ddr2sdramk4t51163作为存储器，选用美国飞索半导体公司（spansion）的norflashs29gl01gp作为系统的flash，norflash通过omap-l138的emifa接口与系统连接。

图3是系统供电电路图，在该dsp系统中，电源电路选用ti公司的电源芯片tps650531，该芯片使用外部5v供电，可产生5路不同的电压值，其中前四路：l1、l2、vldo1、vldo2是输出电压大小可配置的，第五路输出vldo3的输出电压值为固定的1.2v；前四路输出分别配置为+1.2v，+3.3v。+1.8v，f_+2.5v。其中+1.2v供给omap-l138内核，+3.3v供给omap、fpga的i/o口及norflasha，+1.8v供给omap的i/o口及ddr2sdram，f_+2.5v供给fpga的辅助电源vccaux，最后一路f_+1.2v供给fpga的内核电压，tps650531五路输出l1、l2、vldo1、vldo2、vldo3的电流驱动能力分别为1000ma，1000ma，400ma，200ma，200ma，足够各器件使用。只有正确的上电次序才能保证器件的正常启动和工作，若上电次序有误，不仅器件不能正常工作，还有可能对器件造成损害。omap-l138的上电次序依次是：+1.2v内核电压，+1.8vi/o口电压，如图所示，五个使能通道分别为endcdc1、endcdc2、enldo1、enldo2、enldo3。

图4是jtag仿真调试电路图，omap的仿真器通过一标准的14脚接口和板卡jtag接口连接，jatg接口采用双排14脚插针，仿真器通过usb总线和pc机相连，在pc机上运行ccs（codecomposerstudio）软件在线仿真调试目标系统。

图5是bootmode选择电路图，对boot引脚进行采样，以采样到的boot值决定bootloader加载模式，在该dsp系统中，需要用到两种bootmode：norflashmode与emulationdebug（jtag调试模式），对应的boot[7:0]：分别为00000010与00011110，所以，将boot[7:6]与boot[1:0]全部接入低电平，boot[4:2]用拨码开关控制，一端接入高电平，一端接入地。

图6是fpga配置和jtag电路图，本发明采用两种加载模式：一是主串加载模式，其m[2:0]为000，利用一个platformflash装载fpga的初始化程序；二是jtagmode，其m[2:0]为101，由此，将m[1]一直设置为0，m[2]和m[0]用拨码开关将其一端引入高电平，一端引入低电平。jtag接口采用双排14脚插针，用以连接仿真器。由于jtag端口的供电vref为+3.3v，而fpga的几个jtag引脚tdi、tdo、tms、tck是由+2.5v的vccaux供电的，所以在jtag接口与fpga之间加了几个小电阻，起到限流作用。

图7是ad转换的前置放大电路图，为了保证在采集时间内芯片能正确且稳定的调节，ads8556的输入端一般需要加一个运算放大器用以驱动。就驱动能力、噪声和偏移性能而言，ti的opa141可达到确保高输入信号质量所必需的诸多要求，本发明中采用opa2141和opa4141放大器作a/d的前置放大。其中opa2141与opa4141分别为2通道、4通道，opa2141是一款具有低噪声电平、低功耗、低偏置电压漂移、宽电源电压范围（单端4.5v~36v，或双端±2.25～±18v）的精密双极型双路运算放大器，其噪声密度只有6.5nv/hz，电压漂移最大为10uv/℃。opa2141可以对两路信号进行放大，图中所示为通道ch_c0和ch_c1的前置放大连接电路。本发明采用双极性电压对其供电。根据数据手册，其信号输入范围为（v-）-0.5v~（v+）+0.5v，所以，令它的正负电压与ads8556的hvdd与hvss的正负电压相同。即v+为+15v，v-为-15v。通道ch_a[1:0]和ch_b[1:0]的前置放大连接电路由opa4141提供。

图8是omap系统的工作运算流程图，所述omap系统的工作运算流程如下所示：