基于嵌入式处理器的惯导系统数据采集与处理

基于嵌入式处理器的惯导系统数据采集与处理

论文摘要

已经开发的惯性导航系统可以宽范围的应用在各种载体的导航中,但是传统的惯性导航系统价格十分昂贵。微机电技术及微惯性技术的发展,为低成本微型化的惯导系统的开发提供了保证。文中采用FPGA开发了一种嵌入式低成本的惯性导航系统。通过对硬件结构的描述分析了系统中各个电路模块的功能,给出了各个模块的实现方法。结合惯性器件的接口方式,给出了FPGA接口的实现方法。首先给出了导航系统的基本概念,分析了不同的导航方式,给出了坐标系的一般描述。给出了惯导系统基本的布局方式以及基本算法。其次给出了FPGA和嵌入式处理器NIOS II的基本知识和开发流程。在数据采集部分的设计中,先后分析了加速度计,陀螺仪的基本原理,然后给出了具体的应用电路。在描述了地磁场后结合磁力计给出了电子罗盘的设计电路。为了校正惯导系统中的高度信号,引入了微型气压计并给出了相应的的设计电路,还给出了温度检测电路。A/D转换部分给出了一种16通道的数据采集方案。在数据处理平台的设计中,先分析了所使用的FPGA的内部结构及功能特点。给出了系统的存储模块的设计,分析了电源的需求并给出了具体电源模块的实现。配置部分给出了配置芯片的基本原理以及具体的电路结构。最后给出了系统的测试方法和电路验证,设计了系统的NIOS II处理器的基本结构和外围模块。给出了SPI总线的VHDL描述。该数据处理平台通过了标准C程序验证和UC/OS2操作系统验证。证明本系统可满足不同需要,灵活移植到各种不同应用。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 概述
  • 1.2 课题背景
  • 1.3 国内外发展现状
  • 1.3.1 国外研究现状
  • 1.3.2 国内研究现状
  • 1.4 课题研究内容及意义
  • 1.5 论文内容的安排
  • 第2章 惯性导航系统简介
  • 2.1 精确制导与惯性制导
  • 2.1.1 精确制导
  • 2.1.2 惯性制导
  • 2.2 导航用坐标系
  • 2.3 捷联惯导原理
  • 2.4 捷联惯导算法
  • 2.4.1 捷联惯导系统的姿态更新和数学平台
  • 2.4.2 速度计算
  • 2.4.3 位置计算
  • 第3章 FPGA 与嵌入式处理器
  • 3.1 FPGA 及其开发环境简介
  • 3.1.1 FPGA 技术介绍
  • 3.1.2 FPGA 和ASIC 的比较
  • 3.1.3 FPGA 的特点
  • ?Quartus? II 简介'>3.1.4 Altera?Quartus? II 简介
  • 3.2 系统级设计
  • 3.2.1 建立系统
  • 3.2.2 生成系统
  • 3.2.3 使用DSP Builder 建立DSP 设计
  • 3.2.4 生成仿真文件
  • 3.2.5 生成综合文件
  • 3.3 Nios II 简介
  • 3.4 VHDL 概述
  • 3.4.1 VHDL 简介
  • 3.4.2 VHDL 的优点
  • 第4章 惯性导航系统的数据采集模块设计
  • 4.1 系统功能描述及实现
  • 4.2 系统的设计框图
  • 4.3 加速度计外围电路设计
  • 4.3.1 加速度计及其测量原理
  • 4.3.2 加速度计的数据采集实现
  • 4.4 陀螺仪外围电路设计
  • 4.4.1 ADXRS150 芯片简介与应用
  • 4.4.2 陀螺仪应用电路
  • 4.5 磁力计外围电路设计
  • 4.5.1 地磁场及应用
  • 4.5.2 磁场传感器信号的获取
  • 4.6 压力计外围电路设计
  • 4.7 温度信号外围电路设计
  • 4.8 A/D 转换部分电路设计
  • 第5章 系统数据处理平台的设计
  • 5.1 系统数据处理平台设计
  • 5.1.1 Cyclone II 介绍
  • 5.1.2 Cyclone II 开发设计
  • 5.2 电源部分设计
  • 5.3 配置芯片应用电路
  • 5.4 数据存储部分
  • 5.5 系统外部接口
  • 5.6 系统PCB 设计
  • 5.7 PCB 加工
  • 第6章 硬件验证及软件设计
  • 6.1 采集部分电路特性测试
  • 6.2 NIOS II 处理器系统结构图
  • 6.3 导航解算平台硬件测试
  • 6.4 A/D 转换模块的VHDL 程序设计
  • 6.5 NIOS II 的设计与应用
  • 6.6 导航信息解算平台的软件验证
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
  • 致谢
  • 详细摘要
  • 相关论文文献

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