[发明专利]一种基于FPGA的导航计算机协处理器

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于FPGA的导航计算机协处理器，属惯性导航领域。

背景技术

近年来，随着电子技术及惯性技术的高速发展，捷联惯导系统以其低成本、小体积、高性能等优势广泛应用于诸多战术、战略武器型号，为国防建设做出了重要贡献，高性能捷联惯导系统的研究和应用也逐渐成为惯性技术的重要发展方向之一。导航计算机是保证惯导系统实时性和精度的核心单元，主要完成数据采集、时间同步、导航计算和导航参数输出等功能。

传统的基于专用计算机或工控机的导航计算机体积大、结构复杂，且通用性欠佳。为了满足小型化、高精度应用要求，目前基于嵌入式系统的导航计算机的任务调度及导航计算等核心功能均由主处理器完成，往往采用双主处理器结构，例如DSP/单片机，DSP/DSP，DSP/CPLD，DSP/FPGA等，导航计算机的由DSP主处理器实现，任务的过度集中及主处理器有限的外部接口大幅增加了系统软件设计的复杂度，也降低了系统的可靠性和通用性，导致该类导航计算机不适用于数据交互量大、实时性要求苛刻的高精度导航领域。

发明内容

本发明所要解决的问题：克服现有技术的的不足，提供了一种基于FPGA的导航计算机协处理器，通过设计导航计算机协处理器，完成高精度IMU信号的实时采集与处理、导航参数及外部指令的双缓冲、全双工异步串行通信，有效提高导航计算机的性能。

本发明的技术解决方案：

一种基于FPGA的导航计算机协处理器，实现方式如下：

FPGA协处理器完成IMU信号的采集控制和处理，并将IMU信号发送至主处理器；主处理器根据FPGA发送的IMU信号完成导航计算，并将导航计算的导航参数通过FPGA协处理器发送至主控计算机及其他外设；主控计算机及其他外设通过FPGA将控制指令及辅助信息发送至主处理器；FPGA协处理器控制模数转换单元完成IMU信号的模数转换，将多路IMU模拟信号转换为数字信号；IMU信号包括3路高精度光纤陀螺信号、3路高精度加速度计信号、1路温度信号，对应的模数转换器路数为7路；

其中FPGA协处理器包括：IMU信号采集模块、IMU信号处理模块、通信协议设置模块、发送缓冲模块、接收缓冲模块、异步串行收发模块；

IMU信号采集模块对模数转换器进行初始化，将7路模数转换器进行同步，并设置一定的模数转换频率；IMU信号采集模块查询其中1路模数转换器的转换状态，当查询到模数转换完毕后，产生取数时序，得到7路模数转换器的数字信号，并送往IMU信号处理模块；

IMU信号处理模块对7路模数转换器的转换数据进行二阶IIR低通数字滤波处理得到滤波后的IMU数字信号，并产生与模数转换频率相等的导航计算时标用以触发主处理器外部中断，主处理器在中断服务程序中产生地址信号及读信号，一次读入模数转换完毕的IMU数字信号，完成导航计算，并进行导航计算时标的对准；

通信协议设置模块对异步串行通信的波特率及奇偶校验进行设置；

发送缓冲模块对主处理器导航计算完毕准备发往主控计算机及其他外设的导航参数进行缓冲，并等待异步串行收发模块完成并串行转换；

接收缓冲模块对由异步串行收发模块完成串并转换的来自主控计算机及其他外设的串行指令及辅助参数进行缓冲，等待主处理器的读取；

异步串行收发模块将发送缓冲模块中主处理器向主控计算机和其他外设之间发送的导航参数进行并串行转换后发送至主控计算机和其他外设；并将接收到主控计算机和其他外设发送至主处理器的异步串行数据进行串并行转换送至接收缓冲模块。

所述的导航计算时标为一个基准时钟宽度的高电平，频率为1KHz，基准时钟频率为14.7456MHz。

所述进行二阶IIR低通数字滤波处理方法具体如下：

二阶IIR滤波器递归方程为：

y(n)＝a₀x(n)+a₁x(n-1)+a₂x(n-2)-b₁y(n-1)-b₂y(n-2),n＝2,3,4,...,N

其中，x(n)为当前时刻的采样值，x(n-1)为前一时刻的采样值，x(n-2)为更前一时刻的采样值，y(n)为当前时刻滤波器的输出值，y(n-1)为前一时刻滤波器的输出值，y(n-2)为更前一时刻滤波器的输出值。

所述的通信协议设置模块包括波特率配置寄存器、奇偶校验配置寄存器；通信协议设置模块对异步串行通信的波特率及奇偶校验进行设置的实现方式如下：