找北仪数据采集计算模块的设计

　　1　引　　言

　　找北仪不仅在国防领域得到广泛的应用,而且在民用领域中也是必需的测量仪器。国内许多单位也积极开展这方面的研制工作,并取得了一定的进展,但在某些领域的实际应用还有一定的差距。因此,大力开展找北仪的研究与产品开发,对加速国防现代化进程、促进国民经济发展具有十分重要的意义。

　　根据项目的任务要求,本文研究了姿态角小于5°、定北时间小于3分钟、定北精度为0.1°的找北仪。考虑到找北解算中运算较多,并且要用到浮点加法、乘法、除法、开平方及三角函数运算,用单片机实现难度较大,并且由于单片机一般是八位微处理器,进行浮点运算会增加误差,故采用TI公司的浮点DSP芯片TMS320C32作为数据采集与计算模块的中央处理单元。

　　2　找北仪的系统构成

　　基于DSP的挠性陀螺找北仪主要由惯性器件、转位装置、再平衡回路、数据采集计算和显示模块等部分组成。惯性器件由一个二自由度挠性陀螺仪和两个加　速度计组成;转位装置包括一个转位电机和相应的控制电路,用于转位180°,以消除陀螺仪的常值误差;再平衡回路用于调理陀螺的输出信号,使挠性陀螺仪正常工作;数据采集计算和显示部分实现数据采集、方位角解算、远程通讯、结果显示等功能,其核心是DSP数字信号处理器。系统结构如图1所示。

　　3　数据采集计算模块设计

　　找北仪的方位角解算是通过数据采集计算模块来实现的。用加速度计补偿调平的全姿态挠性陀螺仪定北仪的方位角计算模型为:

　　以上公式的解算需要14次乘法、1次除法、1次开方、1次正弦和1次反正切运算。显而易见,采用DSP(32位)代替微控制器(8位)来设计计算机控制系统,可使系统的数值运算获得更快的响应速度;DSP高速和强大的运算能力及其实时的检测与诊断功能,可以更方便、更有效地对结果进行补偿,使找北仪获得更高的精度

　　数据采集计算模块的构成如图2所示。从图中可以看出,数据采集计算模块由中央处理单元(DSP)、数据采集单元和存储单元等构成。该模块接收再平衡电路陀螺输出信号Ux、Uy及加速度计输出信号Ugx、Ugy,同时检测供电电源是否正常;然后通过多路开关送到采样保持器,经模数转换后送到DSP进行处理。纬度输入采用纬度拨盘来实现,在电路中设置跳线,根据跳线决定输入纬度的正负。显示模块是由五个LED组成的五位显示器,除用来显示方位角外,还可以监测开机自检过程的工作状态。所有的地址都由两片可编程逻辑器件PAL给出,其逻辑由编程确定。控制电路中的三个控制信号分别为再平衡回路加电控制信号ZPC、转位控制信号ZWC和电源锁定信号。再平衡回路加电控制信号ZPC在系统加电大约15秒后由控制电路　　送出一个TTL高电平,控制完成再平衡回路的加电工作。转位控制信号ZWC由控制电路送出TTL高电平控制转位电机,实现两位置测量。电源锁定信号是在系统电源启动后,由控制电路送出TTL高电平以维持系统电源的正常工作。