基于FPGA的光纤捷联惯导多信息同步采集系统及方法与流程

本发明属于光纤捷联惯性导航系统技术领域，涉及以fpga为核心的光纤捷联导航系统的多信息同步采集技术，尤其是一种基于fpga的光纤捷联惯导多信息同步采集系统及方法。

背景技术：

光纤捷联惯性导航系统通常由三只提供角加速度的光纤陀螺、三只提供线加速度的加速度计，以及里程计、高程计、温度传感器、卫星接收器等外设组件组成，惯导系统经过对惯性元件和外设组件的信息采集和导航解算，从而得到载体实时的姿态、速度和位置信息。只有各组件实现多信息的同步采集，才能避免由不同步所造成的导航解算误差的逐步累积，保证惯导系统的精度指标。但由于惯性元件和外设组件本身并不具有同步发送信息的功能，因此，需要一种基于fpga的光纤捷联惯导多信息同步采集方法，对惯导系统的时序系统进行时序控制，完成多信息的实时同步采集，确保惯导系统的动态解算精度。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、导航解算精度高且能够提升数据采集同步性的基于fpga的光纤捷联惯导多信息同步采集系统及方法。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于fpga的光纤捷联惯导多信息同步采集系统，包括fpga模块、陀螺、加速度计、温度传感器、北斗接收机、里程计和dsp；所述fpga模块与陀螺相连接，用于同步采集横摇加速度信息、纵摇角加速度信息和方位角加速度信息；所述fpga模块与加速度计相连接，用于同步采集横向线加速度信息、纵向线加速度信息和垂向线加速度信息；所述fpga模块与温度传感器相连接，用于同步采集温度数据信号；所述fpga模块与北斗接收机相连接，用于同步采集时间对准的1pps脉冲信号和位置信息；所述fpga模块与里程计相连接，用于同步采集行驶总里程数据信号；所述fpga模块与dsp相连接，用于实现同步通讯。

一种基于fpga的光纤捷联惯导多信息同步采集方法，包括以下步骤：

步骤1、fpga将内部时钟源将时钟信号分频产生多种同步采集时钟信号；

步骤2、将fpga分频产生的多种采集时钟信号分别输出至光纤陀螺、加速度计、温度传感器、北斗接收机和里程计；

步骤3、将采集的光纤陀螺、加速度计、温度传感器、北斗接收机、里程计的数据信息存入数据缓冲区；

步骤4、所有数据均存入缓冲区完毕以后，fpga产生clk200hz_2时钟信号，通知后一级的dsp数据准备就绪，同时缓冲区内的数据被写入双口ram，随后dsp立即读取双口ram中所有数据。

而且，所述步骤1的具体步骤包括：

(1)产生一路400hz时钟“clk400hz”；

(2)产生两路时钟“clk_acc_1”和“clk_acc_2”，频率为200hz，相位差为180°，两路时钟的下降沿与“clk400hz”下降沿同步对准。

(3)产生三路200hz时钟“clk200hz_1”；

(4)产生一路晚于clk200hz_10.1us的时钟clk200hz_2。

而且，所述步骤2的具体步骤包括：

(1)将clk400hz同步时钟传递至光纤陀螺，每2.5毫秒采集一次陀螺数据；

(2)将clk_acc_1和clk_acc_2传递至加速度计，每2.5毫秒采集一次加速度计数据，与陀螺数据同步；

(3)将clk200hz_1传递至北斗接收机、里程计和温度传感器，每5毫秒采集一次数据，与陀螺和加速度计数据同步；

(4)将clk200hz_2传递至dsp，每5毫秒采集以上所有数据。

而且，所述步骤3的具体步骤包括：

(1)在clk400hz时钟下降沿开始接收三路光纤陀螺的信息，并且按照所接收信息在同一解算周期内的先后顺序锁存；

(2)在clk_acc_1、clk_acc_2时钟下降沿分别采集三路加速度计的信息并锁存；

(3)根据温度传感器特性，在clk200hz_1下降沿接收温度信息并锁存；

(4)在clk200hz_1下降沿接收北斗接收机信息、里程计信息并锁存。

而且，所述步骤4中的clk200hz_2的时刻与最近一次采集光纤陀螺信息起始时刻之间的时间间隔的计算公式是：

其中，f为每一帧的长度，单位是bit，b是光纤陀螺通信的波特率。

本发明的优点和有益效果：

本发明利用fpga并行处理的特点，合理设计内部各功能模块，能准确计算陀螺、加速度计、里程计、温度传感器、卫星接收器等组件的数据传输时延，以高速时钟源为基准，产生满足解算需要的控制时序，提升数据采集同步性，提高导航解算精度。

附图说明

图1为本发明的同步采集系统组成及接口关系示意图；

图2为本发明的同步采集方法流程图；

图3为本发明的信号同步采集时序信号波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种基于fpga的光纤捷联惯导多信息同步采集系统，如图1所示，包括fpga模块、陀螺、加速度计、温度传感器、北斗接收机、里程计和dsp；所述fpga模块与陀螺相连接，用于同步采集横摇加速度信息、纵摇角加速度信息和方位角加速度信息；所述fpga模块与加速度计相连接，用于同步采集横向线加速度信息、纵向线加速度信息和垂向线加速度信息；所述fpga模块与温度传感器相连接，用于同步采集温度数据信号；所述fpga模块与北斗接收机相连接，用于同步采集时间对准的1pps脉冲信号和位置信息；所述fpga模块与里程计相连接，用于同步采集行驶总里程数据信号；所述fpga模块与dsp相连接，用于实现同步通讯。

下面分别对一种基于fpga的光纤捷联惯导多信息同步采集系统中的各模块进行详细说明：

(1)陀螺与fpga之间有一路同步采集信号，控制采集时间；三路数据信号，其中x路表示横摇加速度信息，y路表示纵摇角加速度信息，z路表示方位角加速度信息；

(2)加速度计与fpga之间有一路同步采集信号，控制采集时间；三路数据信号，其中x路表示横向线加速度信息，y路表示纵向线加速度信息，z路表示垂向线加速度信息；

(3)温度传感器与fpga之间有一路同步采集信号，控制采集时间；一路温度数据信号；

(4)里程计与fpga之间有一路同步采集信号，控制采集时间；一路行驶总里程数据信号；

(5)北斗接收机与fpga之间有一路同步采集信号，控制采集时间；一路用于时间对准的1pps脉冲信号，一路位置信息；

(6)dsp与fpga之间有一路同步传输信号，控制数据传输时间；一路16位双口ram总线，实现双向数据通信。

在使用本发明的一种基于fpga的光纤捷联惯导多信息同步采集方法之前，某型光纤捷联导航系统利用fpga实现数据采集的方法是在同一解算周期内将所需信息按顺序全部提取，并尽量缩短解算周期，在解算周期足够小的情况下忽略各组件数据的延时，即认为获得的信息具有同时性和同步性。为实现更加精确的同步，本发明采用主动同步方式，由fpga发出采集惯性元件和外设组件的同步时钟，按照特定的时序关系采集、存储和处理，从而实现多信息同步采集。

一种基于fpga的光纤捷联惯导多信息同步采集方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1、fpga将内部时钟源将时钟信号分频产生多种同步采集时钟信号；

系统采集和解算周期为5毫秒，每个解算周期内采集两次光纤陀螺、加速度计数据，采集一次卫星接收器同步信号、里程计数据和温度传感器数据。数据采集的时钟信号如图2所示：

内部时钟源为25mhz晶振，fpga的时钟功能模块中产生同步的400hz、clk200hz_1、clk200hz_2等时钟信号，用于数据采集和传输；

所述步骤1的具体步骤包括：

(1)产生一路400hz时钟“clk400hz”；

(2)产生两路时钟“clk_acc_1”和“clk_acc_2”，频率为200hz，相位差为180°，两路时钟的下降沿与“clk400hz”下降沿同步对准。

(3)产生三路200hz时钟“clk200hz_1”；

(4)产生一路晚于“clk200hz_1”0.1us的时钟clk200hz_2。

步骤2、将fpga分频产生的多种采集时钟信号分别输出至光纤陀螺、加速度计、温度传感器、北斗接收机和里程计；

所述步骤2的具体步骤包括：

(1)将clk400hz同步时钟传递至光纤陀螺，每2.5毫秒采集一次陀螺数据；

(2)将clk_acc_1和clk_acc_2传递至加速度计，每2.5毫秒采集一次加速度计数据，与陀螺数据同步；

(3)将clk200hz_1传递至北斗接收机、里程计和温度传感器，每5毫秒采集一次数据，与陀螺和加速度计数据同步；

(4)将clk200hz_2传递至dsp，每5毫秒采集以上所有数据。

步骤3、将采集的光纤陀螺、加速度计、温度传感器、北斗接收机、里程计的数据信息存入数据缓冲区；

根据图3所示，所述步骤3的具体步骤包括：

(1)在clk400hz时钟下降沿开始接收三路光纤陀螺的信息，并且按照所接收信息在同一解算周期(5毫秒)内的先后顺序锁存；

(2)在clk_acc_1、clk_acc_2时钟下降沿分别采集三路加速度计的信息并锁存；

(3)根据温度传感器特性，在clk200hz_1下降沿接收温度信息并锁存；

(4)在clk200hz_1下降沿接收北斗接收机信息、里程计信息并锁存。

步骤4、所有数据均存入缓冲区完毕以后，fpga产生clk200hz_2时钟信号，通知后一级的dsp数据准备就绪，同时缓冲区内的数据被写入双口ram，随后dsp立即读取双口ram中所有数据。

所述步骤4中的clk200hz_2的时刻与最近一次采集光纤陀螺信息起始时刻之间的时间间隔的计算公式是：

其中，f为每一帧的长度，单位是bit，b是光纤陀螺通信的波特率。

在本实施例中，由于惯性元件和各组件信息采集的速度不同，fpga采集到全部信息后才能传递给dsp进行数据处理，因此需要确定采集信息的时刻与dsp读取数据时刻之间的时间间隔δt。这个延时由采集最慢的组件决定，在本系统中，光纤陀螺信息的采集速率最慢，因此以光纤陀螺的信息采集时间计算δt，见公式(1)。

其中f为每一帧的长度，单位是bit，b是光纤陀螺通信的波特率。本例中f为110bit，b为115200，δt约为0.95ms。加速度计、温度传感器、北斗接收机及里程计的传输时延均小于0.1us，只需保证它们的采集起始时刻早于clk200hz_2时刻0.1us即可。因此，每一个解算周期内fpga采集最后一组数据时刻与dsp接收数据时刻之间须大于0.95ms。

考虑到信息采集的可靠性以及系统解算对延时的要求，设定fpga开始接收第二帧陀螺信息时刻后1.5毫秒(clk200hz_2下降沿)将本周期内的缓冲区里的所有信息写入双口ram，由dsp读取。dsp解算时针对此延时设计时间补偿算法，从而保证采集信息的同步性。

本发明针对光纤捷联惯导解算实时快速的要求，设计了基于fpga的多信息同步采集方法，精确控制采集时序，有效提高了信息同步性。经试验验证，使用本方法后系统在动态下的方位保持精度较之前有显著提高。

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。