（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp的无陀螺捷联惯导系统的硬件设计.pdf

哈尔滨t 稃人学硕十学位论文 摘要 无陀螺捷联惯导系统避开了因陀螺动态范围小而引起的一系列难题，其 缺点是计算量大。在惯导系统中的应用d s p 可解决这个难题。本文主要研究 基于d s p 的无陀螺捷联惯导系统的实现。 本文首先介绍了d s p 在捷联导航系统中应用的必要性和研究现状，叙述 了系统的总体方案设计及芯片的选型过程，并对数字信号处理器的结构和特 点作了概述。本文重点介绍了无陀螺捷联惯导系统软硬件的设计。d s p 采用 t m s 3 2 0 ( ；6 7 1 3 ，t i 的3 2 位高速d s p ，支持双精度浮点运算。硬件设计包括电 源模块、时钟模块、电源监测复位模块、系统的数据采集模块、外部存储器 接口模块及与p c 机通信模块，同时介绍了c p l d 的设计。软件设计部分包括 各模块的编程和无陀螺导航算法的编程。本文详细介绍了印制板的布局与布 线的过程及遵守的原则，重点介绍了硬件电路的信号完整性原理，并提出了 提高无陀螺捷联惯导系统信号完整性的具体措施。本文最后介绍了程序的二 次装载和代码的固化。 到目前为止，由d s p ( t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 ) 作为无陀螺捷联惯导系统的核心数 据处理器，实现了系统所要求的基本功能，提高了系统的集成度和运算速度， 减小了体积，降低了成本，提高整个系统的性能价格比，使无陀螺捷联惯导 系统能在实际工程中得以应用。 关键词：无陀螺捷联惯导；d s p ；c p l d ；硬件电路设计；信号完整性 哈尔滨丁程人学硕十学位论文 a b s t r a c t as e r i e so fd i f f i c u l t i e sc a u s e db yt h en a r r o wd y n a m i co p e r a t i n gr a n g eo f g y r o s c o p e sc a n b e a v o i d e di n g f s i n s ( g y r o s c o p e f r e e s t r a p d o w n i n e r t i m n a v i g a t i o ns y s t e m ) ，b u ta n o t a b l ed i s a d v a n t a g ei sag r e a td e a lo f c a l c u l a t i o n s i n s b a s e do i ld s ps o l v e dt h i sp r o b l e m t h ee m p h a s i so f t h i sp a p e ri sh a r d w a r ed e s i g n o f g f s d 噶b a s e do nd s p 1 1 l ea r t i c l ef i r s tb r i e f e dn e c e s s i t yo fd s pa p p l i c a t i o ni ns i n sa n dr 鼯e a r c h p r e s e n ts t a t e ，n a r r a t e dt h ep r o c e s so fs y s t e mp r o j e c td e s i g na n dc h i ps e l e c t i o n , s u m m a r i z e ds t r u c t u r ea n dc h a r a c t e ro f d s p t h ea r t i c l ef o c u s e do ni n t r o d u c t i o no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no fg f s i n s t h es y s t e me m p l o y e dt m s 3 2 0 c 6 7 1 3 o f t i 勰d i g i t a ls i g n a lp r o c 部s o r ，w h i c hi s3 2 - b i t ，f l o a t i n g - p o i n t , h i g h - p e f f o r m a n c e d s pw i t hd o u b l ef l o a t i n g - p o i n tc a l c u l a t i o n t h ep a r to fh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n i n c l u d e dp o w e rs u p p l yu n i t ，c l o c ku n i t ，p o w e rm o n i t o ra n df e s e tu n i t ，d a t a a c q u i s i t i o nu n i t ，e x t e r n a lm e m o r yi n t e r f a c eu n i t ，c o m m u n i c a t i o nt op cu n i ta n d d e s i g no fc p l d t h ep a r to fs o f t w a r ed e s i g ni n c l u d e dp r o g r a mo fa l lh a r d w a r e u n i t sa n dt r a n s p l a n to fg f s i n sa l g o r i t h mr o u t i n e t h i sp a p e ri n 仃o d u c e dt h e p r o c e s so fp c bp l a c e m e n ta n dr o u t ea n df o l l o w e dr u l ei nd e t a i l ，t h ep r i n c i p l e s i g n a li n t e g r i t ya n dp r o p o s e dd e t a i l e dm e a s u r e se n h a n c e ds ip e r f o r m a n c eo f g f s i n s t h ep a p e rf i n a l l yi n t r o d u c e ds e c o n d - s t a g eb o o tl o a d e rt or a i na n dc o d e b u r nt of l a s h t h eg f s i n sw i t ht m s 3 2 0 c 6 7 1 3a sc o r a ld g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rr e a l i z e d b a s i cf u n c t i o nr e q u i r e db ys y s t e mb yf a r , e n h a n c e di n t e g r i t ya n dc a l c u l a t i o ns p e e d , w h i l ev o l u m ea n dc o s tw e r er e d u c e da n dt h er a t i ob e t w e e nc a p a b i l i t ya n dp r i c e w a si m p r o v e d , w h i c hm a d eg f s i n sc o u l db ea p p l i e di nt h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：g f s i n ；d s p ；c p l d ：h a r d w a r ed e s i g n ；s i g n a li n t e g r i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指 导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据 和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除 文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：王逝唏 日期：w 叼年罗月弓日 哈尔滨下程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题的意义 将载体从起始点引导到目的地的技术或方法称之为导航。为完成导航任 务，需要确定载体位置、速度，航向、姿态等实时运动状态信息。引导飞行 载体按预定航线航行的整套设备( 包括飞行载体上和地面上的设备) 称之为导 航系统。随着应用范围的不同，有航空导航、航海导航、陆地导航等区分。 惯性导航系统( i n s - i n e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e m ) 魄】【捌分为平台式导航 和捷联式导航两类，捷联导航中又分有陀螺和无陀螺惯导系统两类。所谓无 陀螺捷联惯导系统( t h eg y r o s c o p ef r e es t r a p d o w ni n e r t i a ln a v i g a t i o n s y s t e m ，以下简称g f s i n s ) 就是惯性元件只用加速度计，而不用陀螺的惯导 系统。无陀螺捷联惯导系统舍弃了陀螺，只用加速度计，从而避开了因陀螺 动态范围小而引起的一系列难题，并且具有成本低、功耗小、反应速度快、 可靠性高和寿命长等显著优点，特别适用于角加速度和角速度动态范围大的 载体的惯性导航。所以其应用前景非常好，有可能成为捷联惯导系统今后主 要的发展方向之一。 无陀螺捷联惯导有上述诸多优点，但计算量过大，导航计算机的负担过 重，是限制其广泛应用的缺点。幸而计算机技术的飞速发展，解决了计算速 度问题，使得无陀螺捷联惯导系统这一缺点得以克服，进而使得无陀螺捷联 惯导进入工程实际应用有了可能。有陀螺的捷联惯导的运算就已十分复杂了， 而无陀螺捷联惯导需要首先根据载体非质心处的比力信息求得载体的质心处 的比力和绕质心的转动角加速度，进而解算出载体质心对地速度和载体绕质 心的转动角速度。而对有陀螺的捷联惯导系统来说，质心处的比力和绕质心 的角速度是通过安装在质心处的三个加速度计和三个陀螺直接测量得到的， 无需进行解算。同时，加速度计的输出存在随机漂移误差，在进行导航计算 时就不可避免的出现因积分而造成的随时间积累很快的系统误差，这部分误 差占整个系统误差的9 0 左右，这就必须要利用卡尔曼滤波器对误差的积累 进行抑制。因此从运算量上看，无陀螺捷联惯导系统的运算量要远远大于有 哈尔滨t 群人学硕士学位论文 陀螺的捷联惯导系统。这就要求导航计算机要有很快的运算速度，以达到惯 性导航所要求的实时性，否则只能采用较低阶数的算法或者较低的即时修正 频率，这样将会导致较大的算法误差，并以漂移误差的形式体现出来。如果 仍然采用i n t e l 系列等通用处理器作为无陀螺捷联惯导的核心处理器，显然 是无法满足惯导系统高精度、高实时性的要求。因此要使无陀螺捷联惯导能 在工程上得以应用，就必然寻求一种高精度、高速度的数据处理方法。 本论文研究由d s p 作为核心数据处理器的无陀螺捷联惯导系统。原有的 无陀螺捷联惯导系统通常使用通用c p u 作为中央处理器，需要许多外部设备， 使得硬件实现需要多块电路板相连接，体积和重量都比较大，同时存在不同 程度的资源浪费，成本很高。并且通用型微处理器采用的是冯诺伊曼结构， 乘法是用软件实现，往往需要若干个机器周期才能完成，因此导致处理速度 较慢。而d s p 芯片中集成了内部r o m 和r a m 等存储器、直接存储器访问控制 器和通道等部件，采用哈佛结构和流水技术，芯片中都设置了硬件乘法器和 m a c 一类的指令，可以在单个指令周期内完成乘法操作，使得处理速度大为 提高，具有速度快、灵活、精确、抗干扰能力强、体积小及可靠性高等优点， 满足了对信号快速、精确、实时处理及控制的要求。因此现采用d s p 芯片代 替原来的微处理器作为核心处理器，设计和实现系统，以提高系统的集成度， 减小体积和重量，提高运算速度和精度，降低成本。 1 2d s p 在导航计算机中的应用 d s p 系统具有以上所述的很多优点，已经在导航计算机中得到应用，目 前用于导航的基于d s p 的导航计算机主要用在航空、航天导航系统中，其中， 大多数还处在实验室研究阶段。用于导航解算的d s p 系统主要用在捷联惯导 系统( s i n s ) 组合导航( s i n s g p s ) 中，而在无陀螺捷联中的应用仅处于理论阶 段。在目前的捷联惯导系统中，基于d s p 的导航计算机主要有以下两种应用 方式： 1 主从式紧藕合导航计算机。在这种系统中采用了d s p 芯片加单片机 的主从式双处理器方式，由于单片机具有较强的控制能力，所以，它主要完 成数据交换、外设控制等操作：而d s p 芯片则以其强大的运算能力，完成姿 态解算、位置解算、滤波等解算工作，两个处理器并行操作，发挥各自的优 哈尔滨：程人学硕士学 市论文 势，使导航计算机的性能得到改善。双处理器系统的关键在于单片机和d s p 芯片之间的数据交换和共享问题，一方面要保证d s p 每次得到的原始数据为 最新的数据，同时要保证单片机得到的导航数据也是最新的，而且要避免单 片机和d s p 芯片在同一时间，对同一存储区进行操作而造成冲突，所以，在 系统的硬件和软件设计过程中必须解决好这个问题。 在这种系统中，单片机一般采用i n t e l 公司的8 0 c 1 9 6 或8 9 c 5 1 等，d s p 芯片采用t i 公司的t m s 3 2 4 c 3 x 和t m s 3 2 0 c 5 x 系列芯片。这种双处理器的导航 计算机的电路板大小为两块1 2 0x1 8 0 m m 的电路板，姿态位置叠代时间为4 m s 左右。 2 单独的d s p 系统实现的导航计算机四。在这种导航计算机中，陀螺仪 和加速度计输出的信号一般为模拟信号，需要进行a d 转换，d s p 芯片读入 原始数据后，进行姿态解算、位置解算等，然后进行数据输出，这种导航计 算机的解算周期为5 - 1 0 m s 。 1 3 论文的研究内容及主要工作 由于捷联式惯性导航系统的系统结构、算法和力学编排都已发展了二十 多年，已接近于成熟和完善。因此，在实际应用中，主要要求是集中在硬件 实现上，即如何选择、构建硬件系统，在系统运行中最大可能地实现捷联式 惯性导航系所要求达到的高精度、实时性、稳定性。这就意味着硬件系统的 物理实现要满足结构紧凑、体积小、重量轻、功耗小、成本低、精度高、运 算速度快等特点。 作者对美国t i 公司数字信号处理器进行了研究，主要目标是设计一款符 合要求的捷联式惯性导航系统硬件数字平台。作者在本设计中主要完成了如 下工作： 1 查阅了大量资料，熟悉无陀螺导航系统的原理和算法，几种加速度计 的安装方式的优缺点，并着重分析、理解了由九加速计和六加速度计导出角 速度的算法及捷联式惯性导航系统的力学方程编排。 2 根据系统要求设计导航系统的硬件数字平台，包括器件型号的选择、 原理图的设计、器件封装的制作、四层p c b 板的布局与布线、c p l d 逻辑的编 程与烧写等等。着重考虑了器件的运算速度，计算精度、a d 采样的宽度和频 哈尔滨工程大学硕士学位论文 率、高速多层p c b 布局布线时电源与地线的处理、数字电路与模拟电路的共 地处理、系统的信号完整性设计等问题。 3 在p c b 板加工、焊接完成后，进行系统硬件各模块的调试，包括调包 括模数转换、f i f o 、s d r a m 、f l a s h ，多通道缓冲串口m c b s p 、u s b 、e d m a 控制 器、定时器的调试等。硬件调试的过程在c c s 6 0 0 0 的环境下进行，同时还要 深入了解c p l d 的特点、使用方法，编译环境及硬件描述语言等。 4 在数字硬件平台完全搭建好，c p l d 逻辑程序下载后，进行了系统的 算法移植、调试和仿真。最终使用c 语言和汇编语言混合编程的方式完成了 本系统的软件的编写及测试。 本文的创新点如下： 1 参考d s p 在有陀螺捷联惯导系统的应用，设计了基于d s p 的无陀螺捷 联惯导系统，并将d s p 由3 0 0 0 系列和5 0 0 0 系列升级为c 6 7 1 3 。 2 根据六加速度计无陀螺捷联惯导的同步采样的要求，选用了六通道同 时采样的a d 转换器a d s 8 3 6 4 。 研究结果表明，以d s p c p l d 作为硬件平台的无陀螺捷联式惯导系统具有 精度高、速度快、体积小、重量轻、成本低、功耗小、可靠性高等特点，能 够满足捷联式惯性导航系所要求达到的高精度、实时性、稳定性。 系统联调完成后，根据数字硬件平台应用过程出现的问题，对系统原理 图进行了更正，对p c b 印制板进行了重新布局布线，并重新编写了c p l d 译码 程序，使整个系统更加的合理、完善，相信其综合性能将得以进一步的提高。 4 哈尔滨工程大学硕七学位论文 第2 章系统的总体方案设计 2 1 系统的总体方案 在进行硬件系统设计之前，首先要明确设计任务，根据应用系统的目标 确定系统的性能指标、信号处理的要求，给出设计任务书。 系统的总体方案首先满足系统的功能要求。系统要实现的功能有：加速 度信号的采集、数据的处理和解算及数据的输出，所以系统中要有传感器、 a d 或v f 转换器、c p u 、数据存储器和程序存储器、与p c 机通讯的端口。另 外，在本系统中，信号是以5 m s 为周期进行采样的，在5 m s 之内，数字信号 处理器必须完成数据采集、滤波、解算并传给p c 机，然后再进行下一个周期 处理，所以实时性是本系统一个重要的指标。 除考虑实时性和功能要求之外，还要使所设计系统满足所要求的技术指 标。最后还要考虑系统的通用性和可扩展性，使其能够满足多种环境下实时 解算的要求。具体的方案设计过程如下： ( 1 ) 由完成任务所需最大时间及系统对实时程度的要求选择d s p 芯片。 我们选择t m s 3 2 0 c 6 7 1 3d s p 。该o s p 具有t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列的优点，最高频 率可达2 2 5 m ，具有t q f p 封装，便于焊接和调试，价格适中，适用于本系统。 具体的选择标准会在以下的章节中详细介绍。 ( 2 ) 由系统所要求的精度决定是1 6 位还是3 2 位，是定点还是浮点。考 虑到系统所需的精度、实现的难易以及系统的实际成本等需要，我们选择了 浮点d s p 。 ( 3 ) 根据信号的频率决定系统的采样频率。本系统中载体的加速度信号 频率不是很高，所以a d 采用采用中低速即可。但考虑到需要六路加速度信号 同时采集，所以要选择多通道同时采集的a d 。 ( 4 ) 由数据量的长短决定r a m 的容量，由此决定是否需要扩展片外r a m 。 方程解算中所使用的参数均为6 4 位双精度浮点数，解算过程中需要大量的数 哈尔滨t ：程大学硕士学位论文 据存储器，采集到的数据也需要一定的存储器暂存，所以扩展了片外r a m 。 ( 5 ) 根据系统运算用还是控制用来决定对输入输出端口的要求。由于本 系统实时性要求较高，有一定量的数据的传输，因此，在d s p 系统跟p c 机的 通信采用了高速的u s b 总线。u s b i 1 的传输速度可以达到1 2 m b s ，能很好的 满足系统的需要。 根据系统的功能要求、实时性要求、技术指标及通用性和可扩张性要求， 系统的总体设计方案如下： 图2 1 系统总体框图 2 2 系统的工作原理 无陀螺捷联惯导系统，首先是利用加速度计和a d 芯片进行数据采集，然 后是利用d s p 对所采集的数据进行分析处理，最后将处理结果输出到p c 机上， 进行数据分析、显示和打印。 系统的工作过程可以分为三个步骤，首先d s p 定时中断触发a d 进行数据 采集，然后在c p l d 的控制下通过f i f o 传送至d s p ；第二步是数据解算，在 处理器中完成滤波、解算等任务；最后是输出解算后得到的参数，接着回到 6 哈尔滨= ：程人学硕十学位论文 第一步，如此循环。系统运行具体的流程如下： ( 1 ) 首先，系统上电复位。程序从f l a s h 自举，完成导航解算程序的导 入以及一些初始化工作，如初始化e m i f 接口的s d r a m 等，然后程序开始运行， 等待定时信号触发启动a d 采样。 ( 2 ) 触发信号启动a d 采样，c p l d 检测到a d 转换完成后，使能a d 的读 信号和f i f o 的写信号，完成数据从a d 传到f i f o 的过程。 ( 3 ) 采集到的数据经过f i f o 通过d s p 的e d m a 通道，存入内r a m 或s d r a m ， 以便d s p 对数据进行处理和解算。 ( 5 ) d s p 对采集到的加速度信号进行滤波，利用无陀螺导航系统的算法 进行解算，得到所需的参数。 ( 6 ) 将解算得到的参数通过u s b 传给p c 机，在p c 机中完成对参数的统 计、分析、显示和打印等功能。 因为a d 采集使用的是中断启动的方法，采集到的数据是通过e d m a 的方 式传给d s p 的，这两个过程都不需要主程序参与，所以c p u 在解算的同时， 可以进行下一个周期的信号采集和传输，这样处理，提高了系统的实时性。 2 3 数字信号处理器的选型 方案确定后，下一步就是芯片型号的选择，其中最重要的就是数字信号 处理器的选择。目前，数字信号处理的实现，大致有以下几种方法：用通用 的微计算机实现；用单片机来实现；用专门用于信号处理的d s p 芯片来实现； 利用特殊用途的d s p 芯片实现；用f p g a 等可编程阵列产品开发a s i c 芯片实 现等。其中前三种实现方法比较通用，且各有差异，单片机的接口性能良好， 容易实现人机接口，但运算能力较差：通用的x 8 6 系统，运算能力一般，存 在启动慢的问题，不是很适合用于实时系统；d s p 系统，运算能力强，启动 也较快，有专用的硬件乘法器，还有专门支持浮点运算的芯片，最适合实时 系统，因此本系统选用d s p 芯片做信号处理。 哈尔滨。 程大学硕士学位论文 2 3 1d s p 结构特点 为了快速的实现数字信号处理，d s p 芯片一般采用特殊的软硬件结构。 下面以t i 的t m s 3 2 0 系列为例介绍d s p 芯片的结构特点嘲。 首先，d s p 芯片采用改进的哈佛结构( h a r v a r ds t r u c t u r e ) 传统的冯诺依曼( y o nn e u m a n ) 结构中程序和数据共享一个存储空间， 统一编址，依靠指令计数器提供的地址来区分。由于对数据和程序进行分时 读写，执行速度慢，数据吞吐率低。哈佛结构中将程序和数据存储空间分开， 有各自独立的程序总线和数据总线，这样可以同时对数据和程序进行寻址， 大大提高了数据处理能力。t i 公司的d s p 芯片结构是基本哈佛结构的改进型， 其改进之处是在数据总线和程序总线之间进行局部的交叉连接，这一改进允 许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用。另外，改进的哈 佛结构还使指令存储在高速缓冲器( c a c h e ) 中，省去了从存储器中频繁读取常 用指令的时间，大大提高了运行速度。 其次，o s p 指令系统的流水线操作 在流水线操作中，一个任务被分解为若干各子任务，他们可以在执行时 相互重叠，因此d s p 处理器可以同时井行处理多条指令。t m s 3 2 0 系列处理器 拥有2 - - 6 级流水线。 第三采用专用的硬件乘法器 d s p 芯片拥有一个专用的硬件乘法器，可以在一个指令周期内完成乘法 运算，大大的缩短了运算时间。在t m s 3 2 0 c 3 x 系列d s p 中有一个硬件乘法器， 在t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列中则有两个硬件乘法器。 第四特殊的指令集 根据其特殊的硬件结构，各系列的d s p 都有一套专为数字信号处理而设 计的指令集。 第五，快速的指令周期 由于集成电路工艺的改进，使得d s p 芯片的主频不断提高。目前 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列中c 6 4 1 6 的工作主频己经达到i g h z ，指令周期已经降到了 1 n s 。 第六，良好的多机并行运行特性 哈尔滨工稃人学硕十学位论文 随着d s p 芯片的逐年广泛使用和价格的不断降低，在d s p 芯片中多个c p u 内核的并行处理己经成为了近年来的一个研究热点，并逐渐在应用中崭露头 角。这类似于高性能的m p u 巨型机。现在的d s p 中大多都提供了串口和并口， 使多个处理器可以很方便进行并行或串行数据通信。 正是以上所述的d s p 芯片改进型的哈佛结构、多级流水线结构、专用的 硬件乘法器、专门为数字信号处理而设计的汇编指令系统、快速的指令周期 和良好的多d s p 并行运行特性，使d s p 芯片非常适合于实时的数字信号处理。 2 3 2d s p 芯片选择 设计d s p 系统的过程中，d s p 主芯片的性能决定着系统的综合性能，所 以d s p 主芯片的选择是d s p 系统设计过程中的重要环节。 i 厂商选择 目前，d s p 芯片的生产厂商很多，如：t i ，a d ，m o t o r o l a 等，其中，t i 公司和a d 公司的d s p 比较常用，但a d 公司d s p 价格太高，而t i 的d s p 产品 占全世界市场份额的5 0 左右，且各种开发工具、开发平台比较丰富，在国 内也有很大的应用群体，应用领域也非广泛，所以本系统中选用t i 的d s p 芯片。 2 定点与浮点d s p 芯片的选择 t i 的定点d s p 芯片主要有：t m s 3 2 0 c i x ，t m s 3 2 0 c 2 x ，t 峪3 2 0 c 5 x ， t m s 3 2 0 c 6 2 x 。定点d s p 芯片价格低，应用也非常广泛，但对于浮点运算，一 般只能采用调动浮点库函数、查表法等几种方法进行。调用浮点库函数，虽 然计算精度可以保证，但计算速度比较慢；利用查表法计算浮点，计算精度 与表格大小有关，一般情况下，查表法的计算精度无法满足精度要求。t i 的 浮点芯片主要有：t m s 3 2 0 c 3 x 4 x ，t m s 3 2 0 c 6 7 x ，浮点d s p 芯片硬件支持浮点格 式，浮点运算能力较强，运算精度也能够满足要求，只是价格比定点d s p 芯 片要高一些，所以本系统中选用t i 的浮点d s p 芯片。 3 t i 浮点d s p 芯片的选择 t i 的浮点芯片主要有：t m s 3 2 0 c 3 x 4 x ，t m s 3 2 0 c 6 7 x 两个系列，需要从中 选择其中一种，以下是对这两种d s p 芯片的性能分析： 1 ) 运算速度及硬件资源 9 哈尔滨t 稗人学硕十学t i ) = 论文 t i s 3 2 0 v c 3 3 芯片是t m s 3 2 0 c 3 x 系列中推出最晚，性能最好的芯片，也是 t i 主推的浮点d s p 芯片之一，t m s 3 2 0 v c 3 3 芯片当主频为6 0 m h z 时，具有1 7 n s 的指令周期，1 2 0 m f l o p s 的浮点运算能力，6 0 m i p s 的指令执行能力，内部集 成了3 4 k * 3 2 b i t 的s r a m ，它支持3 2 位的单精度浮点和4 0 位的扩展精度浮 点，能够满足捷联导航系统的要求。 t m $ 3 2 0 c 6 7 x 系列d s p 芯片是t i 最新推出的浮点芯片，它的主频最高达 到1 6 7 - 2 2 5 m i t z ，指令周期为f i n s ，可同时执行八条指令，峰值运算能力为 1 3 3 6 w i p s 对于单精度运算可达1 g f l o p s ，对于双精度浮点运算可达 2 5 0 m f l o p s ，它支持3 2 位的单精度浮点和6 4 位的双精度浮点，内部集成6 4 k 存贮器，可以更好地满足捷联导航系统的要求。 2 ) 运算精度 t m s 3 2 0 v c 3 3 芯片硬件支持浮点运算，但是，它支持的浮点格式是t i 自 己定义的浮点格式，与i e e e 定义的浮点改格式相比，t i 格式的单精度浮点 数同样用4 字节表示，其中，l 位符号位，8 位指数，2 3 位尾数，只是浮点 数中的指数位和符号位的位置排列不同，所以它与i e e e 的单精度浮点数的精 度完全相同。对于双精度浮点数t m s 3 2 0 v c 3 3 支持4 0 位的双精度格式( 即扩 展精度浮点数) ，这4 0 位包含8 位指数、1 位符号和3 1 位尾数部分，i e e e 标 准支持的6 4 位双精度浮点数，这两者无论从可以表示数值的范围或是数值的 精度都会相差很大。 捷联导航系统中提供的精度、纬度信息一般都是i e e e 定义的双精度格 式，如果用t m s 3 2 0 v c 3 3 支持4 0 位的双精度来表示，就会影响经度、纬度信 息的精度，同时数据转换也比较繁琐。 t m s 3 2 0 c 6 7 x 芯片，在这方面已经得到改进，它能完全支持i e e e 定义的 单精度和双精度浮点格式，所以从运算精度考虑t m s 3 2 0 c 6 7 x 芯片与 t m s 3 2 0 c 3 3 相比有明显的优势。 3 ) 开发工具支持 目前己经出现的多种u s b 接口的硬件仿真器，可以支持t i 所有系列d s p 芯片的仿真，所以在这方面，对于t m s 3 2 0 c 3 3 和t m s 3 2 0 c 6 7 x 并无差别。从集 成调试环境来看，用于t m s 3 2 0 v c 3 3 芯片一调试的c 环境，提供了程序编辑、 调用汇编器、连接器，测试指令周期等功能，与用于t m s 3 2 0 c 6 7 x 调试的c c s 0 哈尔滨丁群大学硕十学位论文 集成环境相比，缺少了r t d x 数据交换、d s p b i o s 操作系统等功能，同时 t m s 3 2 0 v c 3 3 的c 编译器效率较低，与手工汇编相比，其效率仅为3 0 一4 0 0 , 6 ， 而t m s 3 2 0 c 6 7 x 的c 编译器的效率己经可以达到7 0 ，因此t m s 3 2 0 c 6 7 x 的开 发工具己经比t m s 3 2 0 c 3 3 开发工具有很大的提高和改善，更利于开发d s p 系 统。 4 ) 价格 价格方面，单从主芯片来比较，t m s 3 2 0 c 6 7 x 系列d s p 芯片比t m s 3 2 0 c 3 3 要高一些。对于外围器件，价格相差较小。 综合各种因素来看，t m s 3 2 0 c 6 7 x 芯片除了价格相对比较高以外，无论从 运算速度、精度、系统的开发难易程度来看，都比t m s 3 2 0 c 3 3 有很大的优势。 同时由于运算速度快，就可以为捷联导航系统留下一些可扩展的空间，比如， 采用一些更好、更复杂的运算方法，数据处理方法等，所以本系统最终选定 t m s 3 2 0 c 6 7 x 系列。而6 7 x 中主要有6 7 1 1 和6 7 1 3 两款，这两款之间的不同点 有： 表2 16 7 1 1 于6 7 1 3 的不同点 6 7 1 16 7 1 3 内核电压1 。8 v 1 2 v 时钟频率 l o o _ 一1 5 0 m1 5 0 - 2 2 5 m 封装2 5 6 脚b g a2 5 6 脚b g a 、2 0 8 脚t q f p p l l 倍频因子 1 、4i - - 2 5 内部存储器 6 4 kr a m6 4 kr 删+ 1 9 2 ks r a m m c a s p 无2 通道 1 2 c无2 通道 g p i o与m c b s p 共用增加了1 5 个g p i o 从上表可以看出，6 7 1 3 与6 7 1 l 相比，速度更快，内核电压更低，内r a m 更大，片内外设更加丰富，更重要的是6 7 1 3 除了有2 5 6 脚的b g a 封装以外， 还提供2 0 8 脚的t o f p 封装，给芯片的焊接和电路的调试带来了极大的方便， 所以本系统最终将d s p 芯片定为t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 。 哈尔滨r 程大学硕士学位论文 2 3 36 7 1 3 芯片简介 t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 系列d s p ( 包括t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 和t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b ) 是一种支 持浮点运算的d s p 芯片，是德州仪器公司设计的用于高端处理的长指令、多 功能的d s p 芯片。 t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 和t 惦3 2 0 c 6 7 1 3 b 最高工作频率为2 2 5 m h z ，每秒中能处理 1 8 0 0 m 条浮点运算指令，或2 4 0 0 m 条定点运算指令，由于内部的可定点或浮 点复用的处理器使得该器件可每秒处理6 0 0 m 条乘法运算。 无论是t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 还是t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b 都应用了双层的c a c h e 结构，对 外具有强有力的驱动能力，第一层为4 k 的程序缓冲区和可双向寻址的数据缓 冲区。第二层有2 5 6 k 的程序和数据缓冲区，其中6 4 k 的为存储区，剩下为 s r a m 区。 t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 和t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b 都有丰富的外围设备：如两路全双工的音 频通讯口和两路全双工的串行缓冲口，以及两路1 2 c 通讯口，一个专用的输 入、输出口，两个通用的3 2 位定时器以及一个h p i 和e m i f 接口等。1 。 h | ! 竺| h l 2 叫 管 区于 c a c h e m e m o r y e6 4 k d 网_ 脚 复m 用 匡 h a 叵于 l 1 m e m o r y 叵， 1 9 2 k 际- 1 中央处理器( c p u ) 图2 26 7 1 3 结构框图 哈尔滨r 程大学硕士学位论文 中央处理器包括8 个并行的功能模块( 包括2 个乘法器和6 个算术逻辑 单元( a l u ) 。2 个浮点处理器、两个定点处理器以及四个定点和浮点共用的 处理器；8 个功能模块共用一个程序控制器和一个控制单元。每个功能模块 由一个3 2 位的指令控制。各功能模块可并联操作。每个指令周期可执行8 条指令。8 个功能模块分为相同的两组，属于两个数据通道。 程序取指 指令分配 控制寄存器 指令解码 数据路径a数据路径b 控制逻辑 寄存器文件a寄存器文件b iii王ii i 测试 仿真 l l j s lj m 1i d 1 l 1 i s l 1 m 1i d 1 中断 图2 36 7 1 3c p u 示意图 2 存储器 片内的存储器总量为2 6 4 k b ，其中有一级程序缓存4 k ，一级数据缓存4 k ， 6 4 k 片内r a m ，分为4 个8 k * 1 6 位存储器，可编程设定为二级缓存或s r a m ， 剩下的1 9 2 k 既可以存放程序也可以存放数据。c p u 可以在一个周期内同时访 问不同的r a m 数据，增强了数据存取的并行性。片内r a i 和片外存储器及其 它内部资源总寻址4 g 。 3 其它片内外设 1 ) 1 6 位外部寄存器接口( e h i f ) 2 ) 1 6 通道的e d m a ； 3 ) 两路多通道缓冲串口 4 ) 两个多路复用的音频串口； 5 ) 两路1 2 c 通讯口 6 ) 两个3 2 位的通用定时器 7 ) 一个1 6 位的通用目的输入输出口( g p i o ) 8 ) 1 6 位的主机接口( h p i ) 哈尔滨r 程大学硕十学位论文 9 ) 可编程的p l l 控制器 2 4 其他主要芯片选型 本节仅介绍几款重要芯片的选型过程，c p l d ，a d 和电源芯片，其他芯片 的选型标准将在第三章中作详细介绍。 2 4 1 可编程器件的选型 1 c p l d 和f p g a 逻辑器件特点嘲啪盯1 c p l d 是复杂可编程逻辑器件( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 的 英语缩写。可编程逻辑器件是一种数字集成电路的半成品，在其芯片上按一 定的排列方式集成了大量的门和触发器等基本逻辑元件，使用者可以在某种 编译环境下，利用某种硬件描述语一言，按设计要求将器件内的基本逻辑元 件连接起来( 此过程称之为编程) ，使之能够完成某个逻辑电路或系统的功能， 成为一个可在实际电子电路系统中使用的专用集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o n s p e c l i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 。与其它通用的集成电路芯片相比，可编程逻 辑器件具有设计开发周期短、器件功能灵活、设计制造成本低、开发工具先 进、质量稳定、可靠性高以及可实时在线检测等优点。使其在问世不久，就 受到了电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。 现场可编程门阵列f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e sa r r a y ) 和c p l d 都是由逻辑单元、i o 单元和互连线三部分组成的。而c p l d 和f p g a 主要区别 于宏单元、互连线、编程工艺的不同，而它们的区别又决定了他们应用范围 的差别。c p l d 器件特点是宏单元较少、但输入变量多、管脚延迟相等且可预 测、器件掉电后逻辑不丢失等，所以适合于完成某种功能的逻辑型系统。而 f p g a 器件的特点是宏单元较多、但输入变量少、管脚延迟不等且不可预测、 器件掉电后逻辑丢失，但可做到功能互换，所以适合于实时数据处理的数据 型系统。 目前生产可编程逻辑器件的厂商很多，其p l d 产品的种类也很多。著名 的包括x i l i n x 公司的c x 系列、a 1 t e r a 公司的e p l d ( e r a s a b l ep r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c e ) 和f p g a 系列、t i 公司的t p c 系列和l a t t i c e 公司的i s p l s i 系列等等。不同公司的p l d 结构不同，设计方法不同，其应用范围也有所不 同，但其共同的特点是：都可以将大量的数字电路设计到一个可编程逻辑芯片 4 哈尔滨工程人学硕十学位论文 中，从而实现系统的微型化和高可靠性。在上述各公司的p l d 产品中，x i l i n x 公司的f p g a 系列和a l t e r a 公司的e p l d 在结构、性能上最具代表性。 a l t e r a 公司的m a x 7 0 0 0 系列可编程逻辑器件是以第二代多阵列矩阵结构 为基础的一种高性能c m o se e p r o m 器件。m a x 7 0 0 0 系列是上业界速度最快的， 高性能、高密度的c m o s 可编程逻辑芯片。m a x 7 0 0 0 系列( 包括m a x 7 0 0 0 e ， m a x 7 0 0 0 s ，m a ) 【7 0 0 0 a 器件) 的集成度为6 0 0 5 0 0 0 可用门，有3 2 2 5 6 个宏单 元和3 6 一- 1 5 5 个用户定义i 0 引脚。这些基于e e p r o m 的器件能够提供组合管 脚传输延迟最小为5 o n s ，时钟频率可以人为设置。m a x 7 0 0 0 s 器件是m a x 7 0 0 0 系列的增强型，采用5 o v 内核电压，3 3 v 的i 0 电平，可以通过工业标准 的1 0 引脚j t a g 接口实现在线编程。 在无陀螺捷联式导航系统中，仅用到了一些接口电路译码等逻辑电路设 计，没有用到复杂的时序电路设计，所以选择了m a x 7 0 0 0 a 器件中的 e p m 7 1 2 8 a e t c l 0 0 - 1 0 芯片，1 0 0 针的t q f p 封装，2 5 0 0 个可用逻辑门，1 2 8 个 宏单元，8 4 个用户i o ，用j t a g 接口进行程序下载，并且在器件掉电后逻辑 不会丢失。 2 硬件描述语言及编程环境啪“删“” 每个开发系统都有一自己的硬件描述语言，为了便于各系统之间的兼容， i e e e 公布了几种标准硬件描述语言，最常用的是v h d l 和v e r i l o gh d l 。、，h d l 是美国国防部于2 0 世纪8 0 年代初推出，其全称是v e r yh i g hs p e e d i n t e g r a t e dc i r c u i th d l ，即超高速集成电路硬件描述语言。v e r i l o gh d l 是美国g a t e w a yd e s i g na u t o m a t i o n 公司于2 0 世纪8 0 年代末开发的逻辑模 拟器v e r i l o g - x l 所使用的硬件描述语言。由于该语言的优越性，各大半导体 公司纷纷采用它作为开发本公司的工具。这两种硬件描述语一言己成为从事 e d a 的电子工程师必须掌握的工具。 o u a r t u si i 软件包是a t t e r a 公司推出的c p l d f p g a 开发工具，是 m a x + p l u si i 的升级版本，a l t e r a 公司的第四代开发软件。o u a r t u si i 提供了 方便的设计输入方式、快速的编译和直接易懂的器件编程。能够支持逻辑门 数在百万门以上的逻辑器件的开发，并且为第三方工具提供了无缝接口。 q u a r t u si