基于FPGA的IMU数据同步采集系统技术方案

提供一种基于FPGA的IMU数据同步采集系统，将信号逻辑采集及处理模块、时钟控制模块和数据处理通讯模块均嵌入FPGA芯片上，3路陀螺串口信号、3路加速度脉冲信号和6路A/D模拟温度信号分别与信号逻辑采集及处理模块上对应的3路RS422接口、3路正负脉冲接口和6路A/D转换接口连接，时钟控制模块分别与信号逻辑采集及处理模块和数据处理通讯模块连接。本实用新型专利技术采用时钟控制模确保信号逻辑采集及处理模块信号和数据处理通讯模对各路数据采集与处理的同步和完整性，利用FPGA并行采集特点，实现3路RS422接口、3路正负脉冲接口和6路A/D转换接口同步、并行、实时和高速采集，并将采集数据自动存储，适用于对IMU数据采集实时性及同步性要求较高和具有扩展性要求的场合。同步性要求较高和具有扩展性要求的场合。同步性要求较高和具有扩展性要求的场合。

【技术实现步骤摘要】
基于FPGA的IMU数据同步采集系统


[0001]本技术属于数据采集
，具体涉及一种基于FPGA的IMU数据同步采集系统。

技术介绍

[0002]一般的IMU包含了3个陀螺仪和3个加速度计，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，同时采集各自的温度和环境温度。目前捷联惯导系统要求启动速度快，对准时间短，需要确保IMU数据采集实时性。同时，为了实现高精度导航解算，需要包含陀螺数据、加速度计数据、温度数据和卫星等多种数据融合，且各类数据通道较多和通讯速率较快，因此IMU数据采集方法必须具有丰富的接口能力，支持可扩展和重构。传统的IMU数据采集方法通过DSP和CPLD实现，虽然该设计具有多通道的收发能力，但是数据采集接口能力不足，不具有可扩展性。另外DSP与CPLD数据通讯时会占用DSP过多的外部中断，容易造成通讯冲突，引起数据丢失；数据采集一般通过定时循环查询方式，接口通过模拟开关复选复用，需要定时设置软件循环采集；采集数据存储和读取依靠外部扩展FLASH存储器实现，存储速度受FLASH速度限制，传输数据位宽较低，因此，针对上述问题，有必要进行改进。

技术实现思路

[0003]本技术解决的技术问题：提供一种基于FPGA的IMU数据同步采集系统，采用精准的时钟控制模块生成的时钟信号，确保信号逻辑采集及处理模块信号和数据处理通讯模对各路数据采集与处理的同步性和完整性，利用FPGA并行采集特点，实现3路RS422接口、3路正负脉冲接口和6路A/D转换接口同步、并行、实时和高速采集，并将采集数据自动存储，适用于对IMU数据采集实时性及同步性要求较高和具有扩展性要求的应用场合。
[0004]本技术采用的技术方案：基于FPGA的IMU数据同步采集系统，包括信号输入模块、信号逻辑采集及处理模块、时钟控制模块和数据处理通讯模块，所述信号输入模块包括光纤陀螺仪输出的3路陀螺串口信号、石英加速度计输出的3路加速度脉冲信号和数字温度传感器输出的6路A/D模拟温度信号，所述信号逻辑采集及处理模块、时钟控制模块和数据处理通讯模块均嵌入FPGA芯片上，所述3路陀螺串口信号、3路加速度脉冲信号和6路A/D模拟温度信号分别与信号逻辑采集及处理模块上对应的3路RS422接口、3路正负脉冲接口和6路A/D转换接口连接，所述时钟控制模块分别与信号逻辑采集及处理模块和数据处理通讯模块连接并由时钟控制模块为信号逻辑采集及处理模块和数据处理通讯模块提供各路数据同步采集与处理的时钟信号。
[0005]其中，所述信号逻辑采集及处理模块包括3路RS422串口可编辑逻辑电路、3路正负脉冲计数可编辑逻辑电路、6路A/D转换可编辑逻辑电路和双口RAM存储器，所述数据处理通讯模块包括微处理器，3路所述RS422串口可编辑逻辑电路的第一输入端通过3路RS422接口与光纤陀螺仪连接，3路所述正负脉冲计数可编辑逻辑电路的第一输入端通过3路正负脉冲接口与石英加速度计连接，6路所述A/D转换可编辑逻辑电路的第一输入端通过6路A/D转换
接口与数字温度传感器连接，3路所述RS422串口可编辑逻辑电路、3路正负脉冲计数可编辑逻辑电路、6路A/D转换可编辑逻辑电路的输出端与双口RAM存储器的输入端连接，并通过3路RS422串口可编辑逻辑电路、3路正负脉冲计数可编辑逻辑电路、6路A/D转换可编辑逻辑电路控制双口RAM存储器的地址线、数据线和读写控制线完成采样数据存储及存储地址的自动切换；所述双口RAM存储器的输出端通过数据总线与微处理器的输入端连接实现微处理器对双口RAM存储器内采集数据的读取，所述微处理器通过总线与目标机连接实现目标机与微处理器的数据交互通讯。
[0006]进一步地，3路所述RS422串口可编辑逻辑电路包括接收逻辑电路和发送逻辑电路，3路所述RS422串口可编辑逻辑电路的串口设置为握手通讯方式，3路所述RS422串口可编辑逻辑电路定时发送命令字到发送通道并由串口响应后接收数据。
[0007]进一步地，3路所述正负脉冲计数可编辑逻辑电路包括去抖、计数及采样逻辑电路，3路所述正负脉冲计数可编辑逻辑电路接收到正负脉冲后在时钟控制模块生成的采样时钟信号控制下对采样数据进行去抖逻辑后消除噪声引起的数据误判，3路所述正负脉冲计数可编辑逻辑电路处理后的有效脉冲数据存储到双口RAM存储器中。
[0008]进一步地，6路所述A/D转换可编辑逻辑电路包括A/D转换控制逻辑电路、通道自动切换逻辑电路和数据采样存储逻辑电路，所述时钟控制模块生成的A/D时钟信号控制6路A/D转换可编辑逻辑电路将各通道串并转换得到的并行数据存储到双口RAM存储器中。
[0009]进一步地，所述时钟控制模块包括时钟控制器，所述时钟控制器为时钟发生器逻辑电路，所述时钟控制器的输入端与高精度晶振连接，所述时钟控制器以高精度晶振生成的系统时钟为基准，通过时钟控制器生成采样时钟信号、数据读取中断时钟信号、A/D时钟信号和串口时钟控制信号。
[0010]进一步地，所述时钟控制器的第一输出端输出通过中断控制器与微处理器连接，并为微处理器提供用于读取双口RAM存储器内数据的数据读取中断时钟信号，所述中断时钟信号为延迟采集时钟信号；所述时钟控制器的第二输出端与3路RS422串口可编辑逻辑电路和3路正负脉冲计数可编辑逻辑电路的第二输入端连接，并为3路RS422串口可编辑逻辑电路和3路正负脉冲计数可编辑逻辑电路提供采样时钟信号，所述时钟控制器的第三输出端与3路RS422串口可编辑逻辑电路的第三输入端连接，并为3路RS422串口可编辑逻辑电路提供串口时钟控制信号，所述时钟控制器的第四输出端与6路A/D转换可编辑逻辑电路的第二输入端连接，并为6路A/D转换可编辑逻辑电路提供A/D时钟信号。
[0011]本技术与现有技术相比的优点：
[0012]1、本技术方案采用精准的时钟控制模块生成的时钟信号，确保信号逻辑采集及处理模块信号和数据处理通讯模对各路数据采集与处理的同步性和完整性；
[0013]2、本技术方案利用FPGA并行采集特点，实现3路RS422接口、3路正负脉冲接口和6路A/D转换接口同步、并行、实时和高速采集，并将采集数据自动存储，适用于对IMU数据采集实时性及同步性要求较高和具有扩展性要求的应用场合；
[0014]3、本技术方案采用在FPGA芯片上嵌入微处理器和双口RAM存储器，用于和导航计算机通过数据总线进行数据交互，并采用高精度晶振作为时钟输入源，在FPGA中通过时钟控制器生成其它模块所需的时钟信号，保证时钟信号的精度和同源，从而保证时间同步性；
[0015]4、本技术方案采用FPGA芯片上的中断管理器控制微处理器的数据读取，读取数据
的中断时钟信号与采样时钟信号相差固定时间，保证数据采集完整性及实时性，通过1路中断实现采样数据读取，减少中断次数；
[0016]5、本技术方案采用FPGA芯片上嵌入可编程逻辑电路，实现数据的采集，可编程逻辑电路执行速度快，指令周期为纳秒级，可满足高速数据采集要求，具有可扩展性和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于FPGA的IMU数据同步采集系统，其特征在于：包括信号输入模块(1)、信号逻辑采集及处理模块(2)、时钟控制模块(3)和数据处理通讯模块(4)，所述信号输入模块包括光纤陀螺仪输出的3路陀螺串口信号(1
‑
1)、石英加速度计输出的3路加速度脉冲信号(1
‑
2)和数字温度传感器输出的6路A/D模拟温度信号(1
‑
3)，所述信号逻辑采集及处理模块(2)、时钟控制模块(3)和数据处理通讯模块(4)均嵌入FPGA芯片上，所述3路陀螺串口信号(1
‑
1)、3路加速度脉冲信号(1
‑
2)和6路A/D模拟温度信号(1
‑
3)分别与信号逻辑采集及处理模块(2)上对应的3路RS422接口、3路正负脉冲接口和6路A/D转换接口连接，所述时钟控制模块(3)分别与信号逻辑采集及处理模块(2)和数据处理通讯模块(4)连接并由时钟控制模块(3)为信号逻辑采集及处理模块(2)和数据处理通讯模块(4)提供各路数据同步采集与处理的时钟信号。2.根据权利要求1所述的基于FPGA的IMU数据同步采集系统，其特征在于：所述信号逻辑采集及处理模块(2)包括3路RS422串口可编辑逻辑电路(2
‑
1)、3路正负脉冲计数可编辑逻辑电路(2
‑
2)、6路A/D转换可编辑逻辑电路(2
‑
3)和双口RAM存储器(2
‑
4)，所述数据处理通讯模块(4)包括微处理器，3路所述RS422串口可编辑逻辑电路(2
‑
1)的第一输入端通过3路RS422接口与光纤陀螺仪连接，3路所述正负脉冲计数可编辑逻辑电路(2
‑
2)的第一输入端通过3路正负脉冲接口与石英加速度计连接，6路所述A/D转换可编辑逻辑电路(2
‑
3)的第一输入端通过6路A/D转换接口与数字温度传感器连接，3路所述RS422串口可编辑逻辑电路(2
‑
1)、3路正负脉冲计数可编辑逻辑电路(2
‑
2)、6路A/D转换可编辑逻辑电路(2
‑
3)的输出端与双口RAM存储器(2
‑
4)的输入端连接，并通过3路RS422串口可编辑逻辑电路(2
‑
1)、3路正负脉冲计数可编辑逻辑电路(2
‑
2)、6路A/D转换可编辑逻辑电路(2
‑
3)控制双口RAM存储器(2
‑
4)的地址线、数据线和读写控制线完成采样数据存储及存储地址的自动切换；所述双口RAM存储器(2
‑
4)的输出端通过数据总线与微处理器的输入端连接实现微处理器对双口RAM存储器(2
‑
4)内采集数据的读取，所述微处理器通过总线与目标机(5)连接实现目标机(5)与微处理器的数据交互通讯。3.根据权利要求2所述的基于FPGA的IMU数据同步采集系统，其特征在于：3路所述RS422串口可编辑逻辑电路(2
‑
1)包括接收逻辑电路和发送逻辑电路，3路所述RS422串口可编辑逻辑电路(2
‑
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【专利技术属性】
技术研发人员：关维周，杨军，叶晓宇，刘玉霞，金辉，
申请(专利权)人：陕西宝成航空仪表有限责任公司，
类型：新型
国别省市：