一种面向导航系统的传感器数据智能采集系统的制作方法

本发明属于弹载惯性导航系统数据采集与处理技术领域，实现面向导航系统的传感器数据高精度采集、预处理及传输功能。

背景技术：

惯性导航系统利用自身的惯性元件来建立和保持空间基准，并测量载体运动，惯导系统处理器将采集得到的传感器数据经过解算，输出载体的航向、航速、位置和姿态等数据。然而惯导装置内部空间较小，各模块放置位置紧凑且受到一定限制，惯导传感器数据采集模块与惯导处理器模块无法紧邻放置，两模块之间进行惯导传感器数据传输时，受到的干扰会随着距离的增长以及电磁环境复杂度的增加而增大。同时，惯导系统采集数据量也越来越大，为保证导航系统及时获取最新传感器数据，实时解算出载体信息，系统要求以一个较小的周期不停地传输更新惯导测量数据，这对惯导数据传输接口的速率、可靠性提出了更高的要求。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种面向导航系统的传感器数据智能采集系统，完成在数据传输前端进行采集数据的预处理，提高数据抗干扰性，完成数据的高速可靠传输。

本发明的技术方案包括以下:

一种面向导航系统的传感器数据智能采集系统，包括惯导系统传感器数据智能采集电路、全双工双冗余高速异步串行通信接口、惯组测量数据处理电路三部分，其中，所述惯导系统传感器数据智能采集电路不仅完成传感器数据的采集转换，还利用可编程器件实现了在数据传输前端即采集板上对待传输数据进行预处理的功能，预处理过程不需要远端主控处理器干预，预处理后的传感器数据通过全双工双冗余高速异步串行接口电路传输到导航系统的主控处理器进行数据处理，完成导航解算。

1、惯性导航系统传感器数据智能采集电路设计

传感器数据采集电路设计包含三部分，第一部分是对传感器模拟量的采集转换，第二部分是对陀螺抖频脉冲信号的采集计数，第三部分是对传感器数据的预处理。

对传感器模拟量的采集转换电路设计如下。首先对输入传感器模拟量进行调理，对小信号模拟量进行放大，使其满足a/d转换芯片对输入信号幅值的要求，对满足幅值要求的模拟量进行过压保护，防止因传感器故障输出信号幅值过大而导致对后端电路造成损伤。而后将调理后的模拟量送至模数转换器进行模拟量到数字量的转换。对于温度模拟量的采集，在温度模拟量转换的a/d芯片上增加一路自校正通道，采集一可预知的电平。

陀螺抖频脉冲信号进入惯导系统后，首先进入施密特反相器进行处理，一方面是为了对信号进行隔离，防止外部干扰对系统的损伤，另一方面是为了消除信号毛刺。

将采集转换得到的传感器数据送入采集板上可编程器件进行预处理，在传输前端增强惯组测量数据抗干扰能力且提供一定的误差补偿，该预处理过程不需要远端主控处理器干预。

2、惯性导航系统全双工双冗余高速异步串行接口设计

本设计中高速异步串行接口以频标作为同步，在频标脉冲的一个周期内进行惯组测量数据的传输，并衡量惯组测量数据量大小，确定高速异步串口通信速率。

高速异步串行接口设计包含rs422电平高速异步串行接口硬件电路设计、高速异步串行接口协议的实现以及高速异步串行接口软件驱动的实现。

其中，硬件电路设计包括，采用差分线总线驱动器实现rs422差分电平与单端ttl电平的相互转换，提高驱动能力、接收灵敏度以及抗干扰能力；采用电平转换器件实现ttl电平与fpga逻辑电平的转换；采用fpga实现高速异步串行接口的协议；采用dsp芯片实现高速异步串行接口驱动软件的运行。

高速异步串行接口协议由fpga逻辑实现，包括高速异步串口数据发送逻辑、高速异步串口数据接收逻辑以及高速异步串口配置逻辑。高速异步串行总线采用相互独立相互备份的a、b两通道进行数据传输，传输时间点错开，以降低a、b两通道信号同时受干扰的概率，提高了接收端信号接收正确性概率。此外，每个传感器的测量数据为一帧，增加帧同步头和校验位，每时刻所有传感器测量数据组成一群，添加群同步头，数据采用数字双相编码方式。这样的设计有利于接收方进行同步，且有一定的检错纠错能力。高速异步串口不仅传输传感器测量数据，还可以传输命令状态等信息，此时组群的数据帧数可以配置。串口接收和发送都设计有缓冲区，使得cpu专心进行数据运算而不会被频繁打断。

高速异步串行接口软件驱动在dsp芯片上运行，实现了高速异步串口发送驱动、接收驱动以及高速异步串口接收fifo清零驱动。

3、惯组测量数据处理

采用浮点dsp芯片对惯组测量数据进行处理，满足导航解算对处理器处理能力的要求，实现双冗余高速异步串行通信接口通道的切换、导航解算、惯组测量数据误差补偿等任务。

本发明具有的优点为：

1)传感器数据采集电路可对导航系统传感器数据进行智能化高精度采集，不仅完成导航系统模拟量采集，还完成了采集数据的预处理功能，为后续导航解算、数据运算处理提供精准的输入，预处理过程不需要远端主控处理器干预；

2)通过全双工双冗余高速异步串行接口传输命令、惯组测量数据，更加可靠、及时，保证了导航系统在要求的通信周期内接收到正确的惯组测量数据；

3)采用浮点dsp芯片作为导航系统的主控处理器，可以有效、快速地切换高速异步串行通信接口通道、对惯组测量数据进行处理。

附图说明

图1为面向导航系统的传感器数据智能采集系统框图

图2为传感器采集电路示意图

图3为高速异步串行接口原理框图

图4为高速异步串口数据格式示意图

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详述。

面向导航系统的传感器智能采集系统原理框图如图1所示，主要包含三部分，分别为惯性导航系统传感器智能采集电路、惯性导航系统高速异步串行接口电路以及惯组测量数据处理。

1、惯性导航系统传感器智能采集电路设计

惯性导航系统需要采集若干种类传感器数据，如陀螺、温度、加速度等，并进行解算，以获取载体的航向航速等重要信息。

传感器数据智能采集电路主要包含三部分，第一部分为传感器模拟量采集转换电路，第二部分为陀螺抖频脉冲采集计数电路，第三部分为传感器采集数据预处理。示意图如图2所示。

惯导系统需要对温度数据进行采集，温度采集多使用铂电阻传感器，铂电阻为无源传感器，因此设计采用恒压源驱动、桥式测温法驱动铂电阻传感器的进行测量。然而上述电路产生的信号幅值较小，为满足a/d转换器输入信号范围，设计上采用放大器对信号进行放大后输入至a/d转换器。

光强信号、压电陶瓷及高压检测模拟量这三类传感器输出信号幅值处于a/d转换器输入信号要求幅值范围内，因此不需要做放大或者衰减处理。但当三类传感器故障，输出信号过大时，会对系统内部造成损伤，因此设计上使用tvs二极管进行过压保护。

几类传感器信号经过处理后输入至a/d转换器中进行模拟量到数字量的转换，而a/d芯片输入通道数量有限，不能一次对全部模拟量进行转换，因此在a/d转换芯片前端采用多路选择器，在地址线的作用下，每个多路开关选通一路模拟量输入至a/d进行转换。为减小多路开关导通电阻对采集精度的影响，在a/d转换芯片前端，多路开关后端增加跟随器。同时对于温度模拟量的采集，在温度模拟量转换的a/d芯片上增加一路自校正通道，采集一可预知的电平，为后续fpga进行误差补偿提供相关信息。

陀螺抖频脉冲信号进入惯导系统后，首先进入施密特反相器进行处理，一方面是为了对信号进行隔离，防止对系统的损伤，另一方面是为了消除信号毛刺。处理后的陀螺抖频脉冲信号输入至fpga进行采集计数。

传感器数据采集结束后，将其输入至fpga，由fpga逻辑实现对惯组测量数据的预处理，而不需要远端处理器的干预。预处理主要包含增强惯组测量数据抗干扰能力和提供一定的误差补偿。其中，数据抗干扰能力的提升主要是对传感器数据进行滤波以及可靠性编码。误差补偿采用以下几种方法。根据经验设定采集数据阈值范围，将范围之外的数据滤除，排除数据野值，重新采样；对于温度模拟量采集，由于同一a/d芯片对芯片上几路通道的温度感知基本相同，因此通过比较自校正通道转换后的数字量和自校正通道输入的可预知电平，估算噪声，校正采集的温度数据源；采用卡尔曼滤波方法，在系统动态变化过程中，依据滤波增益矩阵，从测量数据中定量识别和提取有用信息，修正传感器数据。

2、惯性导航系统高速异步串行接口电路设计

惯性导航系统需要周期性地、及时地获取传感器最新数据，以保证实时监测载体状态。而惯导系统的传感器采集数据量大，并要求数据更新周期短，因此需要设计高速异步串行接口来传输传感器数据给处理器芯片。

高速异步串行接口硬件电路框图如图3所示，设计采用高速差分输出的数据发送器作为高速异步串口的发送器，将单端ttl电平转换为rs422电平差分信号，并经差分放大后输出，增强输出总线驱动能力及抗干扰能力。采用高速差分接收器作为高速异步串口的接收器，将接收到的rs422电平差分信号转换为单端ttl电平，并增强接收灵敏度及抗干扰能力。设计采用fpga实现高速异步串口的协议，而fpga的i/o电平为3.3v，因此单端ttl信号与fpga的i/o电平需要进行转换。dsp实现高速串口驱动的运行。

高速异步串行接口传输速率由传输数据量及通信周期决定，设计上采用以下方式提高传输正确性。

高速异步串行接口协议在fpga芯片中由逻辑实现，从图3中可以看出，高速异步串行接口分为a、b两通道，且a、b两通道在发送逻辑和接收逻辑上互相独立、互为备份，a、b通道传输数据完全相同，但数据传输时间点设计可错开，错开时间可以设置。以一定频率的频标作为同步，a、b通道均可在频标脉冲周期内完成一群数据传输。a、b通道具有独立的接收缓冲区，存储最新数据。上述设计使得高速串口接收方可同时校验a、b通道数据，只保留正确数据。当外部产生短时干扰时，由于a、b通道错开时间进行数据传输，使得同时对a、b两通道产生干扰的概率降低，降低了传输数据畸变概率，提高了数据获取的正确性概率。

高速异步串行接口数据格式如图4所示，每帧数据包含16bits的有效数据位，3bits同步头以及1bit校验位。其中，校验位可扩展，可使用多种校验方式，比如奇偶校验、crc校验等。数据编码采用数字双相编码方式，在每一比特时间至少有一次电平翻转，接收方可根据该有预期的电平翻转进行同步。且该编码方式具有一定的差错检测能力，若在预期电平翻转时未发生翻转，则可判定为检测到差错。传输传感器采集数据时，每帧数据包含一路传感器采集数据，所有路传感器数据分别成帧后组成一群数据，作为该时刻传感器监测数据，每群数据开始时均有群同步头。当传输其它数据如命令、状态信息时，组群的帧数可以配置。

高速异步串行接口协议逻辑包含高速串口发送逻辑、高速串口接收逻辑和高速串口寄存器配置逻辑。

发送数据时，dsp将待发送数据放入高速串口的发送缓冲区中，或者数据由采集传感器信号得到，当该通道发送时间点到来时，发送逻辑从发送缓冲区取数，并加上同步头、校验位，然后将数据放到高速异步串行接口总线上。

接收数据时，接收逻辑监测总线，当监测到同步码时开始取数，并对获取一群数据中的每帧数据进行校验，校验全部通过时，将有效数据放入接收缓冲区中，若存在校验不通过，且不能恢复正确数据时，则将整群数据抛弃。对于未被及时取走的接收缓冲区的数据，使用最新接收数据覆盖，保证接收缓冲区中存储的为最新的一群数据。

数据发送和接收过程不占用dsp资源，且数据的发送和接收缓冲区的设计保证了dsp芯片可以专注于数据运算、导航解算，而不会被频繁打断。

同时，fpga逻辑提供寄存器接口给dsp，dsp可通过软件对高速异步串行通信接口进行奇偶校验方式设置、查询缓冲区状态等。

dsp芯片上运行有高速异步串行通信接口软件驱动，包含高速串口发送驱动、高速串口接收驱动以及接收缓冲区清零驱动。发送数据时，dsp查询发送缓冲区状态，若发送缓冲区不满，则将待发送数据写入发送缓冲区，若查询到发送缓冲区满，则使能通道发送。接收数据时，则查询接收缓冲区中是否有数，若查询到有数，则将缓冲区中数据取出，读结束后，将接收缓冲区清零，以防下次读到错误数据。

3、惯组测量数据处理

惯导系统处理器接收到传感器数据时，需要对其进行处理以获取载体当前状态信息。设计中采用浮点dsp芯片ft-c6713来完成导航解算、惯组测量数据误差补偿等任务，芯片最大工作频率300mhz，实际设计中配置其主频为200mhz，在200mhz主频下，其处理能力为1600mips/1200mflops，能够满足导航解算对处理器处理能力1080mips/720mflops的要求。同时dsp还完成双冗余高速异步串行通信接口通道的切换，在导航系统中，传输数据分为两类，一类为非关键数据，一类为关键数据。接收数据时，对于非关键数据，首选a通道传输的数据，当a通道发生故障时，读取b通道传输数据。对于关键数据，同时利用a、b通道获取数据，若两通道数据相同，则采信数据；若两通道数据不同，则将a、b通道数据全部抛弃，等待下一次传输。

本发明已成功应用于某型号惯性导航系统中，已取得良好的效果，实现了传感器数据高精度智能采集、实时可靠传输及导航解算任务，具有很好的应用前景。