DSP技术下导航计算机数据处理系统设计与实现

摘 要：文章旨在借助DSP技术设计一款满足实际需求的导航计算机数据处理系统，并通过部分检测结果证实所设计系统的可行性。本文在阐述DSP系统结构及优势基础上，设计该系统软件和硬件，详细介绍通信模块、GPS模块、电源模块等设计情况，并开展相关实验，对实验结果展开分析。

关键词：DSP技术；导航计算机；数据处理；软硬件设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.149

0 引言

导航是指将运动载体根据一定规律沿着设定轨迹输送至预订目的地这一过程。早先导航过程中，因人类对自然现象认识不深，主要运用相对直观的信息，设计原理也比较简单，这种情况难以保障导航精度。随着科学技术和导航技术的发展，人们对导航信息处理提出更高的要求。本次研究在提高数据处理功能、保障信息处理时效性基础上，提出基于DSP技术的导航计算机数据处理系统，以期为导航计算机的发展和广泛应用提供一定指导。

1 概述DSP系统构成要素

数字信号处理（DSP）是是一门涉及多方面的知识、应用广泛的新兴学科，DSP系统是以数字信号处理为基础，其具有接口和编程方便、精度高等优点，通过几十年的发展，已经在通信、概率统计、数值分析等领域得到广泛应用[1]。虽然数据信号处理理论发展比较迅速，但在20世纪80年代之前，由于实现方式的限制，数字信号处理理论并未获得广泛运用。直至20世纪70年代，可编程的DSP芯片诞生，才彻底将理论应用于实践中，进一步推动新理论及相关领域的发展。

2 导航计算机数据处理系统硬件设计

2.1 电源模块设计

由于该系统有DSP、AD转换等多种芯片，且这些芯片所需的电压有所差异，这种条件下必须设计支持输出多路独立的电源模块。加之，本次研究采用光耦隔离芯片把整个电路隔离成为没有电连接两个独立的部分，对两个部分之间不可有电连接。

2.2 數据采集模块设计

对温度或模拟信号进行采集时，想要对这些信号进行放大和AD转换出来，并通过FPGA 完成相应的处理。同时，运用石英挠性加速度计对加速度信号进行采集，虽然其测量精度较高，但输出的是模拟信号，必须将其转变为本数字信号方可被FPGA 采集[2]。一般情况下，常利用I/F 转换或 A/D 采样实现由模拟至数字信号的转换。由于 I/F 转换方法是基于电荷平衡理论实现的，其借助标准电流组成反积分电荷量，不断修正及速度计输出的积分荷量。

3 系统软件设计

3.1 软件总体设计

导航计算机数据处理系统软件设计应具有以下功能：依据导航系统对初始化数据的要求，由外部获取初始位置信息、姿态角度；及时采集加速度计、陀螺输出的模拟信号并将其转变为数字量[3]。同时，能够根据实际要求计算角速度、加速度等信息。此外，对于系统和GPS输出的速度及位置信息，综合各自误差方程，利用卡尔曼滤波法进行求解，估算可能出现的误差，并依据这个误差值，对系统实施补偿处理，以此获得准确的姿态、速度信息，并将其传输至控制单元上。

3.2 DSP启动加载模块

启动加载作为DSP独特的应用程序运行方法，当DSP系统连上电后，会把FLASH芯片内的应用程序慢慢搬移至内部或RAM内，并由外扩的RAM执行相应的程序。由于所用芯片内包含IK字节的空间，因此，设计者应编写一段程序，方可实现以下操作：（1）设置合理的EMIF参数，就是对外部RAM进行初始化操作；（2）把FLASH上面的应用程序搬移至最佳位置；将程序控制权上交至RAM应用程序中。编写的小程序与导航程序依次进行编译，均烧写至FLASH芯片内，如此系统充上电后，方可执行启动加载过程。

3.3 GPS信息接收模块

GPS能够提供时间、经纬度、速度、定位星数等信息，这些均由一组连续字节数据代表，主要包括信息头、信息体和结尾，其中，信息头设定固定、信息长度、信息号字节均为1个。信息体包含多个字节，主要表示各类定位信息，一般由8个双精度浮点数、4个单精度浮点数代表。对多个字节数据而言，通常低字节设置在前，高字节处于后边，由导航计算机接受一系列字节数据后，必须根据上述定义，把这一连续字节转变成为所需的经纬度等信息。GPS接收机能够发出多组数据信息，上述信息借助信息头进行区分。

4 系统性能测试

4.1 测试组合导航解算时间

CCS6000C语言调试系统具有编译、连接等功能，其中，优化处理功能对提升程序运行效率、缩短运行时间产生积极地影响。在系统硬件平台上展开测试，只需编程组合导航算法，无需进行数据采集，从而测试导航算法在系统硬件平台上所用的运算时间。由下列数据可知，与不优化对比，通过函数级优化约能缩短3倍左右的运行时间。加之，借助程序内的关键循环展开各项操作，从而充分运用TMS320C67X的8级流水线，程序运行效率还会有一定程度的提升。此外，使用最高级别优化-O3运算数量明显提高，但不能展开测试。

4.2 测试计脉冲数

综上所述，运用DSP技术对导航计算机数据处理系统展开设计，不仅能对程序实施优化处理，也能有效改善导航的进度和准确性。本文以DSP技术为研究视角，通过分析DSP系统主要构成及特点基础上，提出导航计算机数据处理系统软硬件各模块设计，并对计脉冲数、组合导航解算时间展开测试，验证这种设计的有效性、可行性，以期为类似研究提供一定指导。

参考文献：

[1]吕浩.基于DSP的某导航计算机模块的设计[J].数码世界，2016（07）：12.

[2]闫东亚.基于DSP/FPGA的组合导航系统研究与实现[D].哈尔滨工程大学，2014.

[3]石冰倩.基于DSP的导航计算机硬件设计[J].信息技术与信息化，2015（12）：128-131.

作者简介：刘旭东（1978-），男，博士，副教授，研究方向：光电传感与检测。endprint