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基于FPGA的光纤陀螺捷联系统硬件平台设计与实现

南兆君  
【摘要】:随着惯性技术的发展,光纤陀螺捷联惯导系统被广泛应用于海、陆、空、天各种武器平台的导航、制导与控制系统中,成为现代武器系统的核心装置,也是衡量武器现代化程度的重要标志。本文针对光纤陀螺捷联惯导系统的关键技术之一,即系统的硬件平台设计进行了详细的研究。当前的光纤陀螺捷联惯性导航系统硬件平台普遍使用DSP+FPGA架构的形式,其存在的问题有硬件平台扩展的芯片较多,设计复杂,作为主处理器的DSP和接口控制的FPGA协调难,耦合不够紧密。 针对上述问题,本文提出了基于FPGA的光纤陀螺捷联惯性导航系统硬件平台设计方案,采用内嵌有PowerPC405硬核处理器的Virtex-4FX20芯片作为系统硬件平台的核心,将系统所需的数据采集、数据处理、接口通信以及数据和程序存储等功能集成于FPGA,构建了FPGA的片上系统,并且在FPGA芯片内为PowerPC405处理器设计了浮点运算单元,使系统的数据处理能力进一步加强。本文主要从以下几个方面进行了设计与研究: (1)通过对系统需求的分析,设计了光纤陀螺捷联惯性导航系统的硬件电路。设计了光纤陀螺的数据接口电路、石英挠性加速度计的数据采集电路、Virtex-4FX20芯片的配置电路、系统的数据和程序存储电路以及硬件平台对外的通信接口电路。 (2)在硬件平台设计的基础上,对作为硬件平台核心的FPGA进行了片上系统的设计。在FPGA内部利用其逻辑资源和IP核技术,设计了陀螺和加速度计的采集模块,定制了存储和通信接口控制器,重点设计了浮点运算单元;并详细介绍了系统软件的开发流程和系统软件的加载流程。 (3)完成了硬件平台基本参数的测试,并对硬件平台各功能模块进行了仿真与调试,给出了光纤陀螺捷联惯性导航系统硬件平台的性能指标。


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