基于Linux的嵌入式光纤捷联控制系统研究

摘 要： 针对光纤捷联计算机控制系统的实现原理，结合惯导系统硬件平台，对硬件电路板IMU数据采集板和旋变板进行了设计；对ARM计算机控制板的硬件特性及外扩资源进行调试。实现了嵌入式系统到ARM计算机控制板的下载，在Linux系统下搭建了系统软件平台，编写了驱动程序、标定程序及寻北程序，并对系统进行了标定、寻北和振动试验及分析。

关键词： 光纤捷联系统； ARM9； Linux； 寻北

中图分类号： TN919⁃34； TP274+.1 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2016）19⁃0102⁃05

Abstract： According to the realization principle of fiber optic strapdown computer control system， the IMU data acquisition board and rotated board of hardware circuit board were designed in combination with the hardware platform of inertial navigation system. The hardware characteristics and external expansion resources of ARM computer control board were debugged. The system can download the embedded system to ARM computer control board. The system software platform was established by means of Linux system. The driver， calibration procedure and north seeking procedure were compiled. The calibration， north seeking， vibration test and analysis for the system were carried out.

Keywords： fiber optic strapdown system； ARM9； Linux； north seeking

0 引 言

捷联式惯性导航系统（Strapdown Inertial Navigation System，SINS）是将惯性敏感元件刚性固定或“捷联”在运载体上，明显地降低了平台的机械复杂性，但是加重了计算机实时解算及运动补偿的任务[1]。对SINS导航算法的研究是惯性导航领域的热点，涌现出了一大批富有创造性的成果，而对SINS初始对准技术、SINS误差建模与抑制技术领域的研究也在国内外逐步深入[2]。在长期的连续工作中，由于加速度计和陀螺仪的测量误差所引起的导航误差是随时间累加的，因此提高惯性仪表的精度和采用高效的寻北对准方法对于提高惯导系统的精度是十分重要的[3]。

本文针对基于ARM9的光纤捷联控制系统设计及实现展开，对系统进行硬件设计和软件编程。硬件设计包括IMU数据采集板和旋变板的设计，软件编程包括寻北、陀螺标定和系统振动试验编程。

1 光纤捷联系统寻北方案

在相同的硬件平台和惯性器件资源条件下，寻北算法和陀螺信号去噪技术的选择，可以在很大程度上提高系统寻北的精度和响应的快速性[4]。按照基座的状态划分，寻北方法分为静态寻北方法和动态寻北方法，静态寻北方法又分为多位置寻北和连续旋转寻北。多位置寻北是一种技术相对成熟、应用较为广泛的传统寻北方法，多位置寻北又可细分为二位置寻北法、四位置寻北法和多位置寻北法。连续旋转寻北是一种比较新的寻北方法，可以实现高精度寻北。

在多位置寻北方案中，增加寻北位置的个数可以提高方位角的测量精度，但同时也增加了实现的难度、解算的复杂度和寻北需要的时间。二位置、四位置和多位置寻北方案均为通过采样陀螺在几个固定位置的输出值解算方位角，这几种方案的硬件构成比较相似，即采用二位置寻北法的系统，也可以实现四位置或者多位置寻北，只需要改变寻北算法即可[5]。其中，四位置寻北解算得到的寻北结果采用加权平均的方法，能得到较高的寻北精度，因此在工程实际中得到了广泛的应用。

2 光纤捷联计算机控制系统硬件

光纤捷联系统由机箱、三个陀螺、两个加速度计、旋转变压器、转位电机、IMU数据采集板、ARM计算机控制板、旋变板和两个电源板组成[6]。其中，IMU数据采集板采用FPGA实现对陀螺、加速度计信号、里程计信号和温度信号的采集，产生中断信号和检测故障信号；ARM计算机控制板实现对系统的控制，装载和运行导航解算及与上位机通信等功能；旋变板主要对旋转变压器信号进行A/D转换。系统的硬件结构图如图1所示。

系统的工作模式分为寻北模式和导航模式。寻北模式中，[y]轴陀螺随转位电机转动，旋变板测量转位电机转过的角度。导航模式下，ARM计算机控制板利用IMU数据采集板采集的陀螺、加速度计、里程计等信息采用四元数方法进行姿态解算和航位推算，得到系统的姿态角、方位角、速度、位置等信息，并将定位信息通过串口传输给上位机。系统工作流程图如图2所示。

2.1 IMU硬件设计及FPGA实现

IMU硬件电路板包括陀螺串口接收电路、加速度信号A/D转换电路、电压转换电路、接口电路、FPGA硬件功能设计模块及JTAG接口电路等，共同完成陀螺、加速度计、里程计和温度信号的采集，产生中断信号及检测故障信号的功能[7]。IMU数据采集板功能图如图3所示。

FPGA模块实现的硬件功能为：对陀螺数字信号、里程计脉冲信号和温度信号进行采集，对加速度计的信号进行A/D转换，并产生以2.5 ms为周期的硬件中断信号等。采用QuartusⅡ7.2软件，编程语言采用VHDL硬件描述语言。各硬件功能的具体实现如下：

（1） 陀螺数据采集的FPGA实现

陀螺输出信号采用异步差分RS 422总线进行通信，通信波特率为115 200 Kb/s，异步通信帧格式为一位起始位，八位数据位，一位偶校验位，一位停止位。对陀螺发送的数据采用偶校验，因此将数据位和偶校验位进行异或，所得值为0。

（2） 加速度计及里程计数据采集的FPGA实现

加速度计数据采集：系统中有3个加速度计，通过3路A/D转换器完成数据采集，在2.5 ms内将数据累加起来。系统频率为24 MHz，周期为41.67 ns。程序中采用count计数器信号，分别产生Convst，RD，CS信号。

里程计数据采集：需要将里程计的脉冲频率与全局时钟频率同步，即在时钟的上升沿检测里程计状态，为此时钟的上升沿检测里程计发出的脉冲状态。当上一个状态为0，当前的状态为1时，才能对里程计信号进行加1计数。当lock_enable=′1′时，对应输出里程计的数据。

（3） 中断及锁存、复位功能的FPGA实现及地址数据对应关系

中断及锁存：中断的功能是产生以2.5 ms为周期的interrupt信号，该信号的占空比为50%，lock_enable信号高电平宽度为1个clk。

复位：复位信号为resetA。由于[treset]最小为50 ns，所以程序中设置4个时钟周期的高电平复位信号。

地址信号与数据的对应关系：通过译码电路对地址信号与数据进行一一对应。

2.2 旋变控制板

旋变板硬件电路中主要有两个16 b的粗级和精级旋变A/D转换电路、地址缓冲电路及接口电路等。旋变板用于寻北时精确的测量陀螺敏感轴旋转的角度。旋转变压器粗级和精级的变速比为1[∶]16。采用2片AD2S80A芯片，分别将粗级和精级的旋变信号转换为16 b数字量，粗级和精级信号转换并组合后的数字量具有20 b的分辨率。数字信号通过PC104总线传输给ARM计算机控制板并转换为角度信息。

3 基于Linux的系统软件平台构建及寻北软件

实现

3.1 系统软件平台搭建

（1） 在PC宿主机上建立Linux操作环境。采用直接安装Linux操作系统或者在Windows环境下安装虚拟机，在虚拟机上运行Linux操作系统。本文采用后者。具体建立Linux环境略。

（2） 建立交叉编译环境。

（3） 下载嵌入式Linux操作系统到ARM计算机控制板。下载并成功挂载FLASH后，就可以进入FLASH目录下进行文件操作。

（4） 在PC机上安装终端仿真器。终端仿真器用来实现PC机与ARM计算机控制板之间的通信。

在PC机上编写寻北导航程序，交叉编译后，传输到ARM计算机控制板中，调试运行程序。

在PC机上面建立交叉编译环境，配置arm⁃linux⁃gcc交叉编译环境。

在PC机上安装终端仿真器，进行数据文件的传输。由于嵌入式Linux在裁剪内核过程中已经将串口传输功能去掉，所以需要用户自己制作适合于ARM计算机控制板的串口传输工具，实现文件在PC机与ARM计算机控制板之间的传输。

编译后，在src目录下生成了具有执行属性的文件lrz和lsz（lrz用于文件接收，lsz用于文件发送），将其拷贝到根文件系统的bin目录下，编译根文件系统并通过网口传输到开发板FLASH上，修改lrz和lsz的权限#chmod 777 lrz， #chmod 777 lrz。之后就可以利用lrz和lsz对文件进行ARM计算机控制板与PC机之间的传输。

3.2 驱动程序编写

驱动程序分为字符设备（c）驱动、块设备（b）驱动和网络设备驱动。编写设备驱动程序，首先定义设备驱动程序为用户程序提供的功能；其次确定设备的主、次设备号。因为对字符设备的访问是通过文件系统内的设备名称进行的，而设备名称与主次设备号存在一一对应的关系。可以通过查询/proc/device下的255个设备编号为要编写的驱动程序确定一个未被占用的主设备号。

3.3 寻北软件编写

寻北软件由驱动程序和应用程序组成。驱动程序由陀螺、加速度计和里程计信号采集的驱动程序，旋变信号采集的驱动程序和中断驱动程序组成；应用程序由初始化模块、陀螺数据处理模块、旋变数据处理模块、电机控制模块、数据解算模块和数据保存模块等组成。中断驱动程序为寻北应用程序运行提供时钟源。

初始化模块主要负责输入当地地理纬度值及地球自转角速率值等；陀螺数据处理模块负责将陀螺的32位有符号数据转化为角速率信号；旋变数据处理模块负责将旋转变压器的双速16位数据拼成20位的数据并转化为角度值；电机控制模块负责控制电机带动陀螺轴转位；数据解算模块将初始化数据和采集的陀螺、旋变数据进行解算得到寻北值；保存模块将寻北过程的数据及结果数据保存到文件。程序运行结束后数据文件传输给上位机。寻北软件的时序流程图如图4所示。

4 光纤捷联系统试验

4.1 寻北试验

将系统固定在水平静态基座上，将基座调平（精确到角秒）。对系统进行三组寻北试验。在每组试验中，任取一个位置为起始寻北位置1，在位置1连续进行三次重复寻北试验，基座转动45°（精确到角秒）到位置2，再在位置2进行三次重复寻北试验，依次类推，直到基座转动一个周期后，重新回到位置1，记录每次的寻北值。

一个周期共对八个位置进行了九次试验，包括基座转动一个周期后重新回到起始点的一次重复试验。数据处理时，计算每个位置寻北值的均值并计算把不同位置换算到同一位置的归一角度值，由归一角度值解算出一个周期内寻北值的标准差。表1列举其中一组寻北数据。

4.2 振动试验

系统的振动试验分为对水平轴陀螺的振动试验和对竖直轴陀螺的振动试验。对水平轴的陀螺施加的振动为沿着陀螺轴向的水平方向的振动，对垂直轴陀螺施加的振动为上下方向的振动。对每个轴的陀螺施加同样的振动试验又分为振动台与系统直接固连的情况和在振动台与系统之间加防震垫两种情况。对陀螺数据的采集方法为：每2.5 ms采集一次陀螺数据，每秒钟对陀螺数据进行一次平滑，并保存平滑后的数据。以下振动试验图中红、绿、蓝线分别对应[x，y，z]轴陀螺数据。

正弦扫描曲线：正弦峰值为[1.5g，]频率为5～200 Hz。随机振动扫描：频率范围为20～2 000 Hz，其中20～80 Hz，3 dB/oct；80～350 Hz，0.003g2 /Hz；350～2 000 Hz， -3 dB/oct。其中：g=9.8 m/s2。

（1） 对不同轴施加振动，对哪个陀螺轴施加振动，则哪个轴向的陀螺输出强度更大，其他轴向的陀螺输出也受一定影响，陀螺输出的角速率与施加的振动强度正相关；

（2） 在振动台与系统之间加防震垫后，相同强度的振动输入，陀螺的输出变化幅度减小；

（3） 由于[z]轴陀螺的漂移较大，所以[z]轴陀螺的角速率输出较[x]轴和[y]轴陀螺角速率输出幅值更大，且更不稳定；

（4） 由于在整个振动试验过程中施加的加速度值是缓慢变化的，而陀螺输出振幅骤升或骤减的频率点为系统的固有频率；

（5） 系统对特殊振动环境具有一定程度的适应性。

5 结 论

本文在嵌入式系统下对光纤捷联计算机控制系统进行了开发，完成了系统硬件设计和软件编程。对寻北方法做了深入的研究，在分析前人研究成果的基础上，结合系统特性提出了四位置寻北方案。搭建了系统软件开发环境。进行了陀螺标定、寻北试验和系统的振动试验，并对试验数据进行了分析。由于嵌入式系统内存空间有限，而导航程序占用更小的内存空间，今后可对导航代码做进一步优化。

参考文献

[1] 李佳桐，张春熹，张小跃，等.光纤陀螺随机漂移的建模与滤波[J].现代电子技术，2013，36（2）：129⁃131.

[2] 刘逸涵，高兵兵，魏文辉.SINS/CNSSAR组合导航系统设计与高性能算法研究[J].电子设计工程，2014，22（17）：168⁃171.

[3] 武晓燕.基于光纤陀螺的捷联惯导与卫星组合导航算法研究[D].北京：北京理工大学，2015.

[4] 赵桂玲，杨启航，李松.光纤捷联惯导两级系统级标定方法[J].系统仿真学报，2015，27（3）：649⁃655.

[5] CUI B， CHEN X. Improved hybrid filter for fiber optic gyroscope signal denoising based on EMD and forward linear prediction [J]. Sensors & actuators A： physical， 2015， 230： 150⁃155.

[6] 全振中，石志勇，王毅.捷联惯导在线标定技术[J].现代电子技术，2012，35（9）：128⁃131.

[7] 张海宏，李保国，刘思庆.基于NiosⅡ的光纤捷联惯导系统数据采集模块设计[J].计算机测量与控制，2015（1）：198⁃200.