CN104764453A - 一种基于双dsp和cpld的导航及接口计算机 - Google Patents

一种基于双dsp和cpld的导航及接口计算机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双DSP和CPLD的导航及接口计算机，适用于以RS-422作为输出的陀螺、加计和以正交编码脉冲作为输出的测角装置构建的旋转型惯导***及其他惯导***，主要包括DSP1模块、DSP2模块、CPLD模块、双口RAM模块、以太网接口模块、MIL-STD-1553B接口模块、ARINC-429接口模块、扩展RS-422接口模块。DSP1模块主要实现对惯性传感器的同步采集和对测角装置信号的同步读取；DSP2模块主要实现对外MIL-STD-1553B、ARINC-429、扩展RS-422接口的协调通讯；CPLD模块主要实现对测角装置的信号采集和辅助DSP2模块。本发明电路结构紧凑，可扩展性强，可广泛应用于各种惯导***。

Description

一种基于双DSP和CPLD的导航及接口计算机
技术领域
本发明涉及一种基于双数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)和复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)的导航及接口计算机，属于惯导***导航计算机领域，适用于以RS-422作为输出的陀螺、加计和以正交编码脉冲作为输出的测角装置构建的旋转型惯导***及其他惯导***，特别适用于以标准航空总线MIL-STD-1553B和ARINC-429接口通讯的机载设备。
背景技术
随着运载体对导航***精度的要求不断提高，基于旋转调制理论的旋转型惯导***得到了快速发展。旋转型惯导***是利用电机等执行机构对IMU做周期性旋转，使得垂直于旋转轴方向上的常值和慢变误差被调制成均值为零的周期性误差，从而提高惯导***的精度。由于旋转型惯导***在原有惯导***上增加了辅助旋转的测角装置，因此对此类惯导***的导航计算机提出了新的要求。
传统的导航计算机多为专用的工控机，其存在体积大、可移植性差等缺点。随着数字信号处理器(DSP)技术的不断发展，以DSP主控芯片的导航计算机也相继出现，例如DSP/CPLD，DSP/FPGA等。但此类导航计算机中的数据采集、导航解算、数据传输都是由单一DSP完成，很难稳定可靠的完成导航(特别是组合导航)的复杂运算，加之主控芯片的外部接口有限，难以同时满足实际应用中与运载体不同数据格式的各个***单元之间的融合。
发明内容
本发明所要解决的问题：克服现有惯性导航计算机的不足，提出一种基于双DSP和CPLD的导航及接口计算机，可满足旋转型惯导***对导航计算机提出的新的要求，并可实现与标准航空接口的各类设备之间的数据通讯，具有集成度高、可扩展性强、可移植性强的特点。
本发明的技术解决方案：一种基于双DSP和CPLD的导航及接口计算机，适用于以RS-422作为输出的陀螺、加计和以正交编码脉冲作为输出的测角装置构建的旋转型惯导***及其他惯导***，包括DSP1模块、DSP2模块、CPLD模块、双口RAM模块、以太网接口模块、MIL-STD-1553B接口模块、ARINC-429接口模块、扩展RS-422接口模块。
所述DSP1模块通过地址总线1和数据总线1与双口RAM模块互连，实现与DSP2模块的通讯；通过RS-422串行总线与陀螺、加计相连，通过给其发送同步脉冲锁存陀螺加计的数据，同时也锁存DSP2模块读取的测角装置数据；通过其内部的EMAC/MDIO模块与以太网接口模块互连，实现与以太网数据接口的通讯。
所述DSP2模块通过地址总线2和数据总线2与双口RAM模块互连，实现与DSP1模块的通讯；通过地址总线3和数据总线3依次与MIL-STD-1553B接口模块、ARINC-429接口模块、扩展RS-422接口模块互连，分别实现与1553B数据接口、429数据接口、RS-422数据接口的通讯；通过地址总线4和数据总线4与CPLD模块互连，读取由CPLD模块采集的测角装置数据；通过控制总线与CPLD模块互连，实现对MIL-STD-1553B接口模块、ARINC-429接口模块、扩展RS-422接口模块的片选、读/写等控制信号的操作。
所述CPLD模块外接测角装置，对测角装置输出的正交编码脉冲进行计数，并转化为角度信息供DSP2模块读取；与MIL-STD-1553B接口模块、ARINC-429接口模块、扩展RS-422接口模块互连，实现对各模块的片选、读/写等信号的操作。
所述双口RAM模块通过地址总线1和数据总线1以及地址总线2和数据总线2分别于DSP1模块和DSP2模块互连，实现DSP1模块和DSP2模块之间的总线通讯。
所述的以太网接口模块与DSP1模块的专用以太网模块接口EMAC/MDIO互连，EMAC/MDIO模块与以太网接口模块共同使用外部时钟，实现DSP1与以太网接口之间的数据通讯。
所述的MIL-STD-1553B接口模块通过数据总线3和地址总线3与DSP2模块互连，实现DSP2模块与1553B接口之间的数据通讯。
所述的ARINC-429接口模块通过数据总线3和地址总线3与DSP2模块互连，实现DSP2模块与429接口之间的数据通讯。
所述的扩展RS-422接口模块通过数据总线3和地址总线3与DSP2模块互连，实现DSP2模块与扩展的4路RS-422接口之间的数据通讯。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明采用双DSP+CPLD的结构，可在一块电路板上实现导航计算机和接口计算机，克服了传统工控机体积大的缺点；
(2)、本发明采用脉冲同步的方式实现三个陀螺、三个加计以及测角装置的数据同步采集和读取，可应用于旋转型惯导***及传统惯导***，可靠性高，可移植性强；
(3)、本发明利用TMS320C6747中的EMAC/MDIO模块实现导航计算机与以太网之间的通讯，可实现导航程序的以太网下载方式，适用场合更广泛；
(4)、本发明采用双口RAM实现导航DSP和接口DSP之间的通讯，可实现导航结算和接口通讯的同步进行；
(5)、本发明用DSP+CPLD的结构实现MIL-STD-1553B接口、ARINC-429接口、扩展RS-422接口在同一数据总线和地址总线的情况下分时复用，保证了导航***与运载体不同数据格式的各个***单元之间的融合。
附图说明
图1为本发明的电路结构示意图；
图2为本发明的导航解算及通讯流程图；
图3为本发明具体实例的以太网接口模块；
图4为本发明具体实例的双口RAM模块；
图5为本发明具体实例的MIL-STD-1553B接口模块；
图6为本发明具体实例的扩展RS-422接口模块；
图7为本发明具体实例的ARINC-429接口模块。
具体实施方式
下面结合具体的实施例，详细介绍本发明方法。
如图1所示，为本发明的电路结构框图。本发明的电路结构主要包括DSP1模块、DSP2模块、CPLD模块、双口RAM模块、以太网接口模块、MIL-STD-1553B接口模块、ARINC-429接口模块、扩展RS-422接口模块。
所述DSP1模块(1)通过地址总线1和数据总线1与双口RAM模块(4)互连，实现与DSP2模块(2)的通讯；通过RS-422串行总线与陀螺、加计相连，通过给陀螺、加计发送同步脉冲锁存陀螺加计的数据，同时也锁存DSP2模块(2)读取的测角装置数据；通过DSP1模块(1)内部的EMAC/MDIO模块与以太网接口模块(5)互连，实现与以太网数据接口的通讯；
所述DSP2模块(2)通过地址总线2和数据总线2与双口RAM模块(4)互连，实现与DSP1模块(1)的通讯；通过地址总线3和数据总线3依次与MIL-STD-1553B接口模块(6)、ARINC-429接口模块(7)、扩展RS-422接口模块(8)互连，分别实现与1553B数据接口、429数据接口、RS-422数据接口的通讯；通过地址总线4和数据总线4与CPLD模块(3)互连，读取由CPLD模块(3)采集的测角装置数据；通过控制总线与CPLD模块(3)互连，实现对MIL-STD-1553B接口模块(6)、ARINC-429接口模块(7)、扩展RS-422接口模块(8)的片选、读/写等控制信号的操作；
所述CPLD模块(3)外接测角装置，对测角装置输出的正交编码脉冲进行计数，并转化为角度信息供DSP2模块(2)读取；与MIL-STD-1553B接口模块(6)、ARINC-429接口模块(7)、扩展RS-422接口模块(8)互连，实现对各模块的片选、读/写等信号的操作；
所述双口RAM模块(4)通过地址总线1和数据总线1以及地址总线2和数据总线2分别与DSP1模块(1)和DSP2模块(2)互连，实现DSP1模块(1)和DSP2模块(2)之间的总线通讯；
所述的以太网接口模块(5)与DSP1模块(1)的专用以太网模块接口EMAC/MDIO互连，EMAC/MDIO模块与以太网接口模块(5)共同使用外部时钟；
所述的MIL-STD-1553B接口模块(6)通过数据总线3和地址总线3与DSP2模块(2)互连，实现DSP2模块(2)与1553B接口之间的数据通讯；
所述的ARINC-429接口模块(7)通过数据总线3和地址总线3与DSP2模块(2)互连，实现DSP2模块(2)与429接口之间的数据通讯；
所述的扩展RS-422接口模块(8)通过数据总线3和地址总线3与DSP2模块(2)互连，实现DSP2模块(2)与扩展的4路RS-422接口之间的数据通讯；
所述的DSP1模块(1)采用的芯片是TMS320C6747。
所述的DSP2模块(2)采用的芯片是TMS320F28335。
所述的CPLD模块(3)采用的芯片是EPM570。
所述的双口RAM模块(4)采用的芯片是IDT70V24PF。
所述的以太网接口模块(5)采用的芯片是KSZ8001。
MIL-STD-1553B接口模块(6)采用的芯片是BU-61580。
所述的ARINC-429接口模块(7)采用的芯片是HS3282和HS3182。
所述的扩展RS-422接口模块(8)采用的芯片是SC16C554。
所述DSP1模块(1)产生同步脉冲分别给3路陀螺和3路加计以及DSP2模块(2)，同时锁存3路陀螺、3路加计以及测角装置的数据，DSP1模块(1)通过自身的RS-422接口模块读取陀螺、加计数据，由地址总线1和数据总线1读取由DSP2模块(2)存在双口RAM模块(4)指定地址的测角装置数据，再进行导航解算，并可将导航解算的结果按特定地址通过地址总线1和数据总线1存入双口RAM模块(4)，供DSP2模块(2)读取。DSP2模块(2)通过CPLD模块(3)编码选择外部接口，通过地址总线3和数据总线3将读取的导航解算结果发送至选定的外部接口。
图2为本发明的导航解算及通讯流程图。上电后先进行***初始化，然后由DSP1模块发出同步脉冲同时锁存陀螺、加计、转角装置数据，同步脉冲的频率为400HZ。将上述数据采集至DSP1模块进行原始数据误差补偿，包括陀螺、加计的刻度系数温度补偿，陀螺的漂移温度项补偿，加计的零偏温度项补偿，IMU的安装不正交角的补偿，转角装置的安装偏心补偿等。再利用补偿之后的结果在DSP1模块中进行导航解算。然后，将导航解算结果按照固定地址写入双口RAM模块，以供DSP2模块调用。DSP2模块通过CPLD编码选择并使能通讯接口，实现DSP2模块与外部接口的通讯。
图3为本发明的以太网接口模块电路图。EMAC/MDIO为DSP1模块所用芯片TMS320C6747的以太网外扩模块，KSZ8001为MICREL公司的物理层以太网收发器。TMS320C6747通过自带的EMAC/MDIO外设与KSZ8001连接完成数据的以太网帧格式打包发送和解包的功能。该外设由EMAC控制模块、MDIO模块和EMAC模块3个部分组成，每个模块都有与之对应的控制寄存器并通过寄存器总线映射到存储空间。MDIO总线由图3中的MDIO_D和MDIO_CLK组成，MDIO_CLK用来同步MDIO_D传输帧前导码以及对KSZ8001及其寄存器地址读写等数据访问操作。EMAC模块负责发送和接收数据包，通过RMII标准总线与KSZ8001连接。RMII标准总线的发送和接收的数据内容分别由RMII_TXD_0和RMII_TXD_1引脚以及RMII_RXD_0和RMII_RXD_1引脚传输并以2位并行的方式工作。RMII_TXEN端信号为高电平时发送数据有效，RMII_CRS_DV为高电平和RMII_RXER为低电平时接收数据有效。外部时钟源同时向TMS320C6747和KSZ8001提供50MHZ的时钟来同步RMII的信号。KSZ8001的ENT_TX+和ENT_TX+以及ENT_RX+和ENT_RX+分别连接以太网水晶头的发送和接收引脚，ENT_LED0-4连接以太网水晶头的信号指示灯。
图4为本发明的双口RAM模块电路图。IDT70V24PF_1和IDT70V24PF_2分别代表双口RAM模块芯片IDT70V24PF的两个通讯接口。IDT70V24PF_1与DSP1模块连接，DSP1_A0-11为地址总线，DSP1_D0-15为数据总线，DSP1_CS_RAM为DSP1模块对双口RAM模块的片选信号，DSP1_R/W为读/写信号，DSP1_OE为DSP1模块对双口RAM模块的使能信号。DSP1_BUSY信号连接DSP1模块的一个GPIO口，用来告诉DSP1模块双口RAM正处于BUSY状态，DSP1_BUSY信号为低有效。IDT70V24PF_2和DSP2模块的信号交联与IDT70V24PF_1和DSP1的信号交联相同。
图5为本发明的MIL-STD-1553B接口模块电路图。BU-61580是DDC公司设计的MIL-STD-1553B总线控制芯片，其集MIL-STD-1553B总线协议的BC/RT/MT模式与一身，具有双收发器模块、协议处理器部件、存储器管理部件以及与不同微处理器的逻辑接口。1553b_A0-15为16位地址总线；DATA_0_15为16位数据总线，两者都与DSP2模块相连。SEL为BU-61580的芯片选通引脚；STR为BU-61580的数据选通引脚；MEM/REG为BU-61580的RAM或寄存器选通引脚；用于选择操作芯片的RAM或者寄存器；R/W为BU-61580的读/写操作位；MST为BU-61580的上电复位信号，低电平有效，正常工作以后为高电平。以上信号都与CPLD模块相连，由CPLD利用DSP2模块给出的信号解码之后来操作BU-61580。图5中S1器件为5路拨码开关，用来操作RTADP和RTAD0-3的引脚电平，以设置BU-61580的RT地址。B-3067为BU-61580与外部接口相连的传输变压器。
图6为本发明的扩展RS-422接口模块电路图。电路中所用的串口扩展芯片SC16C554最多可扩展4路串口，最大支持波特率5Mbps，配套的RS422处理电路芯片是MAX3490。554_D0-8为8为数据总线；554_A0-2为3路地址总线，都与DSP2模块相连。SC16C554可对每一路串口进行单独操作，554_CSA-554_CSD为四路串口通道的片选信号，与CPLD模块相连。554_IOR和554_IOW分别为SC16C554的读、写信号，也与CPLD模块相连。
图7为本发明的ARINC-429接口模块电路图。所用的429收发芯片HS3282和HS3182可实现ARINC-429的两路接收和一路发送功能。429_D0-15为16位数据总线与DSP2模块相连。429_RDY1和429_RDY2分别为两路接收通道的接收REDAY信号；429_SEL为HS3282芯片的选通信号；429_EN1和429_EN2分别为两路接收通道的数据使能信号；ARINC-429数据的收发格式是32位的，429_PL1和429_PL2分别是低16位和高16位选择信号；429_TX/R为HS3282芯片的发送、接收标志位；429_ENTX为HS3282芯片的发送使能位。以上信号都与CPLD模块相连，通过由CPLD利用DSP2模块给出的信号解码之后来操作HS3282芯片。
本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.一种基于双DSP和CPLD的导航及接口计算机，适用于以RS-422作为输出的陀螺、加计和以正交编码脉冲作为输出的测角装置构建的旋转型惯导***，包括DSP1模块(1)、DSP2模块(2)、CPLD模块(3)、双口RAM模块(4)、以太网接口模块(5)、MIL-STD-1553B接口模块(6)、ARINC-429接口模块(7)、扩展RS-422接口模块(8)，其特征在于：
所述DSP1模块(1)通过地址总线1和数据总线1与双口RAM模块(4)互连，实现与DSP2模块(2)的通讯；通过RS-422串行总线与陀螺、加计相连，通过给陀螺、加计发送同步脉冲锁存陀螺加计的数据，同时也锁存DSP2模块(2)读取的测角装置数据；通过DSP1模块(1)内部的EMAC/MDIO模块与以太网接口模块(5)互连，实现与以太网数据接口的通讯；
所述DSP2模块(2)通过地址总线2和数据总线2与双口RAM模块(4)互连，实现与DSP1模块(1)的通讯；通过地址总线3和数据总线3依次与MIL-STD-1553B接口模块(6)、ARINC-429接口模块(7)、扩展RS-422接口模块(8)互连，分别实现与1553B数据接口、429数据接口、RS-422数据接口的通讯；通过地址总线4和数据总线4与CPLD模块(3)互连，读取由CPLD模块(3)采集的测角装置数据；通过控制总线与CPLD模块(3)互连，实现对MIL-STD-1553B接口模块(6)、ARINC-429接口模块(7)、扩展RS-422接口模块(8)的片选、读/写等控制信号的操作；
所述CPLD模块(3)外接测角装置，对测角装置输出的正交编码脉冲进行计数，并转化为角度信息供DSP2模块(2)读取；与MIL-STD-1553B接口模块(6)、ARINC-429接口模块(7)、扩展RS-422接口模块(8)互连，实现对各模块的片选、读/写等信号的操作；
所述双口RAM模块(4)通过地址总线1和数据总线1以及地址总线2和数据总线2分别与DSP1模块(1)和DSP2模块(2)互连，实现DSP1模块(1)和DSP2模块(2)之间的总线通讯；
所述的以太网接口模块(5)与DSP1模块(1)的专用以太网模块接口EMAC/MDIO互连，EMAC/MDIO模块与以太网接口模块(5)共同使用外部时钟；
所述的MIL-STD-1553B接口模块(6)通过数据总线3和地址总线3与DSP2模块(2)互连，实现DSP2模块(2)与1553B接口之间的数据通讯；
所述的ARINC-429接口模块(7)通过数据总线3和地址总线3与DSP2模块(2)互连，实现DSP2模块(2)与429接口之间的数据通讯；
所述的扩展RS-422接口模块(8)通过数据总线3和地址总线3与DSP2模块(2)互连，实现DSP2模块(2)与扩展的4路RS-422接口之间的数据通讯。
2.根据权利要求1所述的一种基于双DSP和CPLD的导航及接口计算机，其特征在于：所述的DSP1模块(1)采用的芯片是TMS320C6747。
3.根据权利要求1所述的一种基于双DSP和CPLD的导航及接口计算机，其特征在于：所述的DSP2模块(2)采用的芯片是TMS320F28335。
4.根据权利要求1所述的一种基于双DSP和CPLD的导航及接口计算机，其特征在于：所述的CPLD模块(3)采用的芯片是EPM570。
5.根据权利要求1所述的一种基于双DSP和CPLD的导航及接口计算机，其特征在于：所述的双口RAM模块(4)采用的芯片是IDT70V24PF。
6.根据权利要求1所述的一种基于双DSP和CPLD的导航及接口计算机，其特征在于：所述的以太网接口模块(5)采用的芯片是KSZ8001。
7.根据权利要求1所述的一种基于双DSP和CPLD的导航及接口计算机，其特征在于：MIL-STD-1553B接口模块(6)采用的芯片是BU-61580。
8.根据权利要求1所述的一种基于双DSP和CPLD的导航及接口计算机，其特征在于：所述的ARINC-429接口模块(7)采用的芯片是HS3282和HS3182。
9.根据权利要求1所述的一种基于双DSP和CPLD的导航及接口计算机，其特征在于：所述的扩展RS-422接口模块(8)采用的芯片是SC16C554。
10.根据权利要求1所述的一种基于双DSP和CPLD的导航及接口计算机，其特征在于：所述DSP1模块(1)产生同步脉冲分别给3路陀螺和3路加计以及DSP2模块(2)，同时锁存3路陀螺、3路加计以及测角装置的数据，DSP1模块(1)通过自身的RS-422接口模块读取陀螺、加计数据，由地址总线1和数据总线1读取由DSP2模块(2)存在双口RAM模块(4)指定地址的测角装置数据，再进行导航解算，并可将导航解算的结果按特定地址通过地址总线1和数据总线1存入双口RAM模块(4)，供DSP2模块(2)读取；DSP2模块(2)通过CPLD模块(3)编码选择外部接口，通过地址总线3和数据总线3将读取的导航解算结果发送至选定的外部接口。
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