基于DSP/FPGA的捷联惯性导航系统设计

摘要

在惯性导航系统中，捷联式惯性导航系统以其体积小、成本低和可靠性高等优点正逐步取代平台式惯性导航系统，成为惯性导航系统的发展趋势。
　　 为了适应捷联惯性导航系统小型化、低成本和高性能的发展方向，本文设计了DSP与FPGA相结合的系统方案：系统采用MEMS器件和高性能A/D转换器构成惯性信号检测单元，FPGA进行I/O控制，DSP完成导航计算。方案综合考虑了系统成本、计算速度、精度、体积等各方面的因素，并通过GPS、磁航向计等信息融合进一步提高导航精度。
　　 数据采集是捷联惯导系统设计的关键，本文数据采集由信号调理、A/D转换和。FPGA等几部分组成。其中，FPGA是整个数据采集部分的核心，其主要功能包括：实现了ADC控制逻辑和时序生成；配置了FIFO寄存器，缓冲了ADC与DSP之间的转换数据；扩展了UART串口，以实现系统的外部信息接口。在完成电路设计的基础上，对各功能模块进行了全面的半实物仿真，验证了系统方案及各主要功能模块的可行性。
　　 论文简述了惯性导航系统的应用背景及发展状况，介绍了捷联惯导系统的基本原理，设计了基于DSP/FPGA的捷联惯导系统方案，实现了系统各部分硬件电路以及FPGA功能模块，并通过搭建硬件验证平台和利用第三方仿真软件，对传感器的性能以及FPGA各功能模块进行了较全面的验证和仿真。结果表明：基于DSP/FPGA的捷联惯导系统能够满足应用的要求，并在小型化、低成本和高性能等方面有一定的优势。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 惯性导航系统的研究背景

1.2 惯性导航系统的发展状况

1.3 MEMS惯性传感器的发展状况

1.4 论文的研究目的及主要工作

1.4.1 论文的研究目的

1.4.2 论文的主要工作

1.5 论文的组织结构

2 惯性导航系统理论概述

2.1 常用坐标系

2.2 捷联惯导系统的基本原理

2.3 捷联惯导系统的数学模型

2.4 SINS/GPS组合导航系统

3 导航系统方案设计

3.1 惯性导航系统规划

3.2 MEMS惯性测量组合

3.2.1 MEMS加速度计

3.2.2 MEMS陀螺仪

3.3 模数转换器

3.4 现场可编程逻辑门阵列

3.5 数字信号处理器

4 惯性导航系统电路设计

4.1 惯性信号检测电路

4.1.1 加速度信号检测电路

4.1.2 角速度信号检测电路

4.2 模拟信号采集电路设计

4.2.1 A/D转换电路

4.2.2 信号调理电路

4.2.3 电源及参考电路

4.3 FPGA及其外围电路设计

4.3.1 FPGA配置和编程电路

4.3.2 FPGA电源电路

4.4 DSP及其外围电路设计

4.4.1 存储器扩展电路

4.4.2 DSP电源电路

4.4.3 时钟和复位电路

4.4.4 JTAG仿真电路

4.5 FPGA功能模块设计

4.5.1 FPGA开发工具及设计流程概述

4.5.2 FPGA数据采集方案设计

4.5.3 ADC控制器设计

4.5.4 FIFO寄存器设计

4.5.5 UART设计

5 惯性导航系统验证与仿真

5.1 MEMS惯性测量组合验证与分析

5.1.1 验证方案设计

5.1.2 USB—6211原理及应用分析

5.1.3 测量结果分析

5.2 FPGA模块仿真分析

5.2.1 ADC控制器仿真

5.2.2 FIFO寄存器的仿真

5.2.3 UART的仿真

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢