摘 要： 論文系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用DSP+單片機(jī)的雙CPU體系結(jié)構(gòu)方案，DSP主要是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理，單片機(jī)主要是負(fù)責(zé)系統(tǒng)的輸入輸出控制，兩者相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了互補(bǔ)的優(yōu)勢，充分發(fā)揮了各自的特長。論文將研究數(shù)字信號處理芯片在導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，提出了單片機(jī)、DSP以及大規(guī)?？删幹七壿嬈骷?gòu)建導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件的全新方法。

　　1 引言

　　目前在我國的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)一般都是Intel系列等通用型處理器為硬件來處理導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生的大量實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。伴隨著科技技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了運(yùn)算能力極為強(qiáng)大的數(shù)字信號處理器（DSP），它是專門為快速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法而設(shè)計(jì)的，它具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。

　　DSP芯片中集成了內(nèi)部RAM 和ROM 等存儲器、直接存儲器、訪問控制器、豐富的端口資源等部件，采用先進(jìn)型流水線讀取指令技術(shù)和哈佛結(jié)構(gòu)技術(shù)，芯片中集成了邏輯單元、硬件乘法器，多數(shù)指令可以在單個(gè)指令周期內(nèi)來完成操作，使數(shù)據(jù)的處理速度大大提高。具有高、速度快、成本低、體積小、可靠性高以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)?？梢猿浞值貪M足捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對數(shù)字硬件平臺CPU 內(nèi)核的要求。

　　2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　導(dǎo)航計(jì)算機(jī)是捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的中心處理器，在系統(tǒng)中處于非常重要的地位，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的任務(wù)有三類：1）數(shù)據(jù)的采集；2）數(shù)據(jù)的處理與運(yùn)算；3）導(dǎo)航數(shù)據(jù)的輸出。數(shù)據(jù)采集包括了采集慣性測量元件的輸出信號，接受外部的系統(tǒng)和信息。數(shù)據(jù)與處理運(yùn)算包括了慣性測量元件的初始對準(zhǔn)、誤差補(bǔ)償，在線校正濾波和導(dǎo)航參數(shù)解算等。導(dǎo)航計(jì)算機(jī)重要基本的的工作就是進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算，按照提前設(shè)定的誤差修正算法和導(dǎo)航算法能夠計(jì)算出當(dāng)前姿態(tài)以及速度，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的運(yùn)算實(shí)時(shí)性和精準(zhǔn)度是它的兩個(gè)重要的性能指標(biāo)。傳統(tǒng)的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)大多數(shù)是以Intel系列等，都是一些通用處理器，作為導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的硬件。這種比較傳統(tǒng)的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)都是由集成度低、運(yùn)算速度較慢等問題的影響，從而使得系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來功耗較大、電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大、因此無法更好地滿足慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、高要求。本系統(tǒng)采用DSP+單片機(jī)的雙CPU的設(shè)計(jì)方案，DSP主要是負(fù)責(zé)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的處理，單片機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的I/O接口和外部接口設(shè)備控制。

　　DSP芯片的選擇應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)來確定，終選用IT公司的TMS320VC33-120型DSP作為導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的處理器。TMS320VC33-120芯片的運(yùn)算速度比較快，工業(yè)級主能夠達(dá)到60MIPS,可以在周期內(nèi)對浮點(diǎn)數(shù)據(jù)或者定點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)并行的ALU和乘法運(yùn)算操作。該芯片的運(yùn)算能力能夠滿足導(dǎo)航計(jì)算機(jī)性能的需要。

　　TMS320VC33-120芯片的運(yùn)算非常高，芯片的浮點(diǎn)為DSP芯片，累計(jì)器為40位、字?jǐn)?shù)長度為32位，可以進(jìn)行32/40位的浮點(diǎn)操作數(shù)和16/32整數(shù)的操作，都能夠滿足導(dǎo)航解算的要求。TMS320VC33有一個(gè)40/32位的浮點(diǎn)/整數(shù)乘法計(jì)算器，這個(gè)乘法器可以在單周期內(nèi)完成24位整數(shù)以及32位浮點(diǎn)數(shù)的乘法，為了達(dá)到更好的性能，可以采用并行的指令在周期內(nèi)完成ALU和乘法的運(yùn)算操作，當(dāng)乘法器進(jìn)行浮點(diǎn)的乘法時(shí)，輸入是32位的浮點(diǎn)值，而輸出則是40位的擴(kuò)展浮點(diǎn)數(shù)，整數(shù)乘法的時(shí)候輸入數(shù)據(jù)24位，而輸出的數(shù)據(jù)則是32位。TMS320VC33的整數(shù)/浮點(diǎn)數(shù)的算數(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU可以進(jìn)行32位整數(shù)、40位浮點(diǎn)數(shù)以及32位邏輯數(shù)。內(nèi)部的桶形移位寄存器可以在單周期內(nèi)進(jìn)行32 位的右移和左移。內(nèi)部總線CPU1/CPU2以及REG1/REG2可以從存儲器中取兩個(gè)從寄存器和操作數(shù)中取兩個(gè)操作數(shù)，這就會使四個(gè)操作數(shù)進(jìn)行加減和乘除的運(yùn)算可以在單周期內(nèi)來完成。在DSP的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中，由于接收的數(shù)據(jù)是模擬信號，而DSP能處理的信號必須是數(shù)字信號，因此需要將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。

　　AD轉(zhuǎn)換器的性能直接影響到DSP導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的，本系統(tǒng)采用TI公司的AD芯片ADS1258,它是一款高、低功耗、低噪音的16通道24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部集成了多路復(fù)用器、模擬低通濾波器、數(shù)字濾波器等功能。內(nèi)部包含多種控制寄存器，通過不同的配置可以得到不同的A/D采樣速率、采樣模式、A/D轉(zhuǎn)換等。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，單片機(jī)選用AT89C51,它是一種帶4K 字節(jié)FLASH 存儲器（FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read OnlyMemory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。

　　單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。

相關(guān)資料：

基于DSP的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)分析（二）