[发明专利]一种基于FPGA的小型便携式多传感器姿态检测系统

说明书

技术领域

本发明属于姿态检测技术领域，特别是涉及一种基于FPGA的小型便携式多传感器姿态检测系统。

背景技术

惯性导航系统具有自主性、高隐蔽性、抗干扰等特点，是航空航天和军事领域重要的导航系统，其特点也是其它导航系统无法比拟的。随着微机电系统(MEMS)的快速发展，出现了新一代微型陀螺仪和加速度计，降低了惯性传感器的制造成本，惯性导航系统发展前景一片大好。为了使惯性导航系统在民用领域迅速推广，有必要设计一种低功耗、便携式的小型硬件平台，实现惯导系统的功能。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于FPGA的小型便携式多传感器姿态检测系统。

为了达到上述目的，本发明提供的基于FPGA的小型便携式多传感器姿态检测系统包括：FPGA芯片、两片SDRAM芯片、FLASH芯片、陀螺/加速度传感器、磁传感器、电平转换芯片、显示模块、通信接口、外部存储器和电源模块；其中：FPGA芯片为本系统的控制运算中心，其分别与两片SDRAM芯片、FLASH芯片、陀螺/加速度传感器、电平转换芯片、显示模块、通信接口、外部存储器相连接，电平转换芯片与磁传感器相连接，通信接口与上位机相连接，电源模块为供电电源，其与本系统中的各用电部件相连接。

所述的电源模块由锂电池和电平转换芯片组成；所述的通信接口为与外部设备进行数据交换的通信接口，采用MAX3222通信接口芯片；所述的显示模块为液晶显示器，采用液晶屏LCD2004；外部存储器由SD卡组成。

所述的陀螺/加速度传感器为MEMS传感器，采用ADIS16385，磁传感器采用HMR3300，所述的电平转换芯片采用74LVC4245；所述的SDRAM芯片采用CY7C1021、FLASH芯片采用W25Q80；所述的FPGA芯片为现场可编程门阵列器件，采用Xilinx公司的XC6SLX9芯片。

所述的FPGA芯片的内部片上系统包括：处理器核、SPI_A接口、SPI_F接口、SPI_S接口、UART_H接口、UART_U接口、AXI_P总线、AXI_E总线、存储器控制器、LMB总线、BRAM_0控制器、BRAM_1控制器、BRAM_0存储器、BRAM_1存储器、FSL总线、显示控制器；

其中：处理器核通过AXI_P总线与SPI_A接口、UART_H接口、SPI_F接口、UART_U接口和SPI_S接口相连接，SPI_A接口与陀螺/加速度传感器相连接；UART_H接口通过电平转换芯片与磁传感器相连接；SPI_F接口与FLASH芯片相连接；UART_U接口通过通信接口与上位机相连接；SPI_S接口与外部存储器相连接。

所述的处理器核还通过AXI_E总线与存储器控制器相连接，存储器控制器通过32位总线与两片SDRAM芯片连接；

所述的处理器核还通过LMB总线分别与BRAM_0控制器和BRAM_1控制器相连接，BRAM_0控制器与BRAM_0存储器连接，BRAM_1控制器与BRAM_1存储器相连接；

处理器核还通过FSL总线与显示控制器相连接，显示控制器与显示模块连接。

所述的SPI_A接口是标准的SPI接口，所述的UART_H接口是标准的RS232接口，所述的SPI_F接口是标准的SPI接口，所述的UART_U接口是标准RS232接口，所述的SPI_S接口是标准的SPI接口。

所述的BRAM_0存储器是FPGA芯片的内部RAM，所述的BRAM_1存储器是FPGA芯片的内部RAM。

本发明以导航系统中不可或缺的姿态检测系统为问题切入点，构建了以MEMS惯性器件、电子罗盘为传感器，FPGA为运算核心的导航计算平台，并研究了一种姿态检测系统的多传感器数据融合方法。

本发明提供的基于FPGA的小型便携式多传感器姿态检测系统的效果：该姿态检测系统使用一片FPGA芯片完成传感器数据采集、数据通讯及算法运算，并且使用一片FLASH芯片存储FPGA的配置数据和应用程序，具有较高的系统集成度，提高了系统可靠性。在构建片上系统时，考虑到处理器核的流水线工作方式，采用多种类型的总线连接处理器核和片上外围接口，并采用FPGA内部RAM存储应用程序的“数据段”和“堆栈段”，提高了处理器核的执行效率。通过三维姿态角试验可以看出，该姿态检测系统从传感器数据采集到姿态解算的时间仅为360us。

附图说明

图1为本发明提供的基于FPGA的小型便携式多传感器姿态检测系统的组成示意图。