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基于ARM+DSP的捷联航姿系统设计

作　者: 崔运涛
导　师: 毛奔
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: ARM DSP Linux 双口RAM 嵌入式系统 捷联航姿系统
分类号: V249.32
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


随着科技的发展,导航越来越被人们所熟悉,而捷联式惯性导航由于其不依赖外部环境实现自主导航的特点,在导航领域占有举足轻重的地位。姿态解算是捷联式惯性导航系统的核心内容,通过姿态矩阵可以得到载体的姿态和导航参数计算需要的数据。因此构建一个高效率、小型化、可靠性高的捷联导航系统的关键便是以导航计算机为基础的捷联航姿系统。导航计算机是一种典型的嵌入式系统,在嵌入式领域,ARM和DSP都是其主要的核心元件,其中ARM以优良的控制能力、丰富的外围接口和平衡的计算性能在嵌入式领域占有主导地位;而DSP有着大规模数据运算的能力,在数字信号处理方面有着独特的优势。在嵌入式操作系统领域,嵌入式Linux得益于其源码开放、良好的内核特性以及丰富的软件资源等特点,逐渐成为嵌入式操作系统中的新兴力量;而DSP/BIOS是TI公司针对其高端DSP产品研发的实时操作系统,有助于其DSP产品的开发。本设计定位于捷联航姿的系统设计,主要工作放在了硬件设计和系统软件集成方面,对算法和算法的优化并未做太多的研究。因此在算法的实现上,采用了工程中易于实现的四元数姿态更新算法。基于以上原因,本课题着手构建起一种以ARM+DSP为核心的双CPU结构的捷联航姿系统,这种设计充分发挥了ARM和DSP各自的特点,使ARM芯片充分发挥其优良的控制能力和丰富的外围接口的特点,而DSP则专注于进行大规模运算的捷联航姿解算过程,两者之间使用双口RAM实现数据的高速实时交换。为实现软件系统的平台化,本设计分别为ARM端构建了嵌入式Linux操作系统和为DSP端移植了DSP/BIOS实时操作系统,减小了编写应用软件和驱动程序等二次开发的难度。实践证明这种系统结构性能优良、体积小巧、可靠性高,非常适合需要大规模数据实时计算的捷联航姿系统。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章 绪论  11-15
  1.1 惯性导航的发展现状  11-12
  1.2 导航计算机系统  12-14
    1.2.1 导航计算机系统发展  12-13
    1.2.2 嵌入式系统  13-14
  1.3 课题的主要任务  14-15
第2章 捷联惯性导航系统原理及算法  15-28
  2.1 捷联惯性导航系统介绍  15-20
    2.1.1 惯性导航坐标系及参数  15-17
    2.1.2 捷联导航系统原理  17-20
  2.2 捷联导航算法研究  20-27
    2.2.1 捷联算法概要  20-21
    2.2.2 四元数法  21-27
  2.3 本章小结  27-28
第3章 导航计算机硬件系统平台构建  28-51
  3.1 ARM 系统结构  28-36
    3.1.1 主控系统结构  28-30
    3.1.2 S3C2410A 处理器简介  30-34
    3.1.3 A/D 采样电路设计  34-35
    3.1.4 串口单元设计  35-36
  3.2 DSP 子系统硬件设计  36-46
    3.2.1 DSP 子系统设计方案  37-38
    3.2.2 TI TM5320C6713B 处理器简介  38-40
    3.2.3 外围电路设计  40-43
    3.2.4 存储器单元设计  43-46
  3.3 双口RAM 的应用  46-48
  3.4 PCB 制板调试  48-50
    3.4.1 PCB 制板  48-50
    3.4.2 硬件调试  50
  3.5 本章小结  50-51
第4章 嵌入式软件系统平台构建  51-78
  4.1 嵌入式Linux 系统搭建  51-72
    4.1.1 交叉编译环境建立  52-55
    4.1.2 BootLoader  55-58
    4.1.3 内核编译  58-63
    4.1.4 根文件系统  63-69
    4.1.5 嵌入式Linux 生成  69-72
  4.2 DSP 子系统软件环境构建  72-77
    4.2.1 CCS 开发环境  72-73
    4.2.2 DSP/BIOS 实时操作系统  73-77
  4.3 本章小结  77-78
第5章 平台应用软件的构建  78-99
  5.1 Linux 设备驱动程序编写  78-88
    5.1.1 Linux 驱动设备规范概要  78-81
    5.1.2 采样模块驱动  81-86
    5.1.3 双口RAM 驱动  86-88
  5.2 捷联航姿算法的实现  88-95
    5.2.1 四元数微分方程求解  88-92
    5.2.2 捷联航姿解算算法编程  92-95
  5.3 验证试验  95-98
    5.3.1 验证实验数据  95-96
    5.3.2 验证实验分析  96-98
  5.4 本章小结  98-99
结论  99-101
参考文献  101-104
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  104-105
致谢  105-106
附录 A：主控制系统连接原理图  106-107
附录 B：DSP 子系统的原理图  107-108
附录 C：印制电路板  108

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空仪表、航空设备、飞行控制与导航 > 飞行控制系统与导航 > 导航 > 导航系统
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