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1、10申请公布号CN104061931A43申请公布日20140924CN104061931A21申请号201410216864722申请日20140521G01C21/16200601G01C21/2020060171申请人中国民航大学地址300300天津市东丽区津北公路2898号72发明人马龙张锐苏志刚74专利代理机构天津才智专利商标代理有限公司12108代理人庞学欣54发明名称一种基于FPGA的小型便携式多传感器姿态检测系统57摘要一种基于FPGA的小型便携式多传感器姿态检测系统。其包括FPGA芯片、两片SDRAM芯片、FLASH芯片、陀螺/加速度传感器、磁传感器、电平转换芯片、显示模块、。
2、通信接口、外部存储器和电源模块。本发明效果使用一片FPGA芯片完成传感器数据采集、数据通讯及算法运算，使用一片FLASH芯片存储FPGA的配置数据和应用程序，具有较高系统集成度，提高了系统可靠性。在构建片上系统时，采用多种类型的总线连接处理器核和片上外围接口，并采用FPGA内部RAM存储应用程序的“数据段”和“堆栈段”，提高了处理器核执行效率。通过三维姿态角试验可看出，该系统从传感器数据采集到姿态解算的时间仅为360US。51INTCL权利要求书2页说明书5页附图1页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书5页附图1页10申请公布号CN104061931ACN104。
3、061931A1/2页21一种基于FPGA的小型便携式多传感器姿态检测系统，其特征在于其包括FPGA芯片1、两片SDRAM芯片2、FLASH芯片3、陀螺/加速度传感器4、磁传感器5、电平转换芯片6、显示模块7、通信接口8、外部存储器9和电源模块10；其中FPGA芯片1为本系统的控制运算中心，其分别与两片SDRAM芯片2、FLASH芯片3、陀螺/加速度传感器4、电平转换芯片6、显示模块7、通信接口8、外部存储器9相连接，电平转换芯片6与磁传感器5相连接，通信接口8与上位机相连接，电源模块10为供电电源，其与本系统中的各用电部件相连接。2根据权利要求1所述的基于FPGA的小型便携式多传感器姿态检测。
4、系统，其特征在于所述的电源模块10由锂电池和电平转换芯片组成；所述的通信接口8为与外部设备进行数据交换的通信接口，采用MAX3222通信接口芯片；所述的显示模块7为液晶显示器，采用液晶屏LCD2004；外部存储器9由SD卡组成。3根据权利要求1所述的基于FPGA的小型便携式多传感器姿态检测系统，其特征在于所述的陀螺/加速度传感器4为MEMS传感器，采用ADIS16385，磁传感器5采用HMR3300，所述的电平转换芯片6采用74LVC4245；所述的SDRAM芯片2采用CY7C1021、FLASH芯片3采用W25Q80；所述的FPGA芯片1为现场可编程门阵列器件，采用XILINX公司的XC6S。
5、LX9芯片。4根据权利要求1所述的基于FPGA的小型便携式多传感器姿态检测系统，其特征在于所述的FPGA芯片1的内部片上系统包括处理器核101、SPI_A接口102、SPI_F接口104、SPI_S接口116、UART_H接口103、UART_U接口105、AXI_P总线106、AXI_E总线107、存储器控制器108、LMB总线109、BRAM_0控制器110、BRAM_1控制器112、BRAM_0存储器111、BRAM_1存储器113、FSL总线114、显示控制器115；其中处理器核101通过AXI_P总线106与SPI_A接口102、UART_H接口103、SPI_F接口104、UART。
6、_U接口105和SPI_S接口116相连接，SPI_A接口102与陀螺/加速度传感器4相连接；UART_H接口103通过电平转换芯片6与磁传感器5相连接；SPI_F接口104与FLASH芯片3相连接；UART_U接口105通过通信接口8与上位机相连接；SPI_S接口116与外部存储器9相连接。5根据权利要求4所述的基于FPGA的小型便携式多传感器姿态检测系统，其特征在于所述的处理器核101还通过AXI_E总线107与存储器控制器108相连接，存储器控制器108通过32位总线与两片SDRAM芯片2连接；所述的处理器核101还通过LMB总线109分别与BRAM_0控制器110和BRAM_1控制器1。
7、12相连接，BRAM_0控制器110与BRAM_0存储器111连接，BRAM_1控制器112与BRAM_1存储器113相连接；处理器核101还通过FSL总线114与显示控制器115相连接，显示控制器115与显示模块7连接。6根据权利要求4所述的基于FPGA的小型便携式多传感器姿态检测系统，其特征在于所述的SPI_A接口102是标准的SPI接口，所述的UART_H接口103是标准的RS232接口，所述的SPI_F接口104是标准的SPI接口，所述的UART_U接口105是标准RS232接口，所述的SPI_S接口116是标准的SPI接口。7根据权利要求4所述的基于FPGA的小型便携式多传感器姿态检。
8、测系统，其特征在权利要求书CN104061931A2/2页3于所述的BRAM_0存储器111是FPGA芯片1的内部RAM，所述的BRAM_1存储器113是FPGA芯片1的内部RAM。权利要求书CN104061931A1/5页4一种基于FPGA的小型便携式多传感器姿态检测系统技术领域0001本发明属于姿态检测技术领域，特别是涉及一种基于FPGA的小型便携式多传感器姿态检测系统。背景技术0002惯性导航系统具有自主性、高隐蔽性、抗干扰等特点，是航空航天和军事领域重要的导航系统，其特点也是其它导航系统无法比拟的。随着微机电系统MEMS的快速发展，出现了新一代微型陀螺仪和加速度计，降低了惯性传感器的制。
9、造成本，惯性导航系统发展前景一片大好。为了使惯性导航系统在民用领域迅速推广，有必要设计一种低功耗、便携式的小型硬件平台，实现惯导系统的功能。发明内容0003为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于FPGA的小型便携式多传感器姿态检测系统。0004为了达到上述目的，本发明提供的基于FPGA的小型便携式多传感器姿态检测系统包括FPGA芯片、两片SDRAM芯片、FLASH芯片、陀螺/加速度传感器、磁传感器、电平转换芯片、显示模块、通信接口、外部存储器和电源模块；其中FPGA芯片为本系统的控制运算中心，其分别与两片SDRAM芯片、FLASH芯片、陀螺/加速度传感器、电平转换芯片、显示模块、通信接。
10、口、外部存储器相连接，电平转换芯片与磁传感器相连接，通信接口与上位机相连接，电源模块为供电电源，其与本系统中的各用电部件相连接。0005所述的电源模块由锂电池和电平转换芯片组成；所述的通信接口为与外部设备进行数据交换的通信接口，采用MAX3222通信接口芯片；所述的显示模块为液晶显示器，采用液晶屏LCD2004；外部存储器由SD卡组成。0006所述的陀螺/加速度传感器为MEMS传感器，采用ADIS16385，磁传感器采用HMR3300，所述的电平转换芯片采用74LVC4245；所述的SDRAM芯片采用CY7C1021、FLASH芯片采用W25Q80；所述的FPGA芯片为现场可编程门阵列器件，采。
11、用XILINX公司的XC6SLX9芯片。0007所述的FPGA芯片的内部片上系统包括处理器核、SPI_A接口、SPI_F接口、SPI_S接口、UART_H接口、UART_U接口、AXI_P总线、AXI_E总线、存储器控制器、LMB总线、BRAM_0控制器、BRAM_1控制器、BRAM_0存储器、BRAM_1存储器、FSL总线、显示控制器；0008其中处理器核通过AXI_P总线与SPI_A接口、UART_H接口、SPI_F接口、UART_U接口和SPI_S接口相连接，SPI_A接口与陀螺/加速度传感器相连接；UART_H接口通过电平转换芯片与磁传感器相连接；SPI_F接口与FLASH芯片相连接；。
12、UART_U接口通过通信接口与上位机相连接；SPI_S接口与外部存储器相连接。0009所述的处理器核还通过AXI_E总线与存储器控制器相连接，存储器控制器通过32位总线与两片SDRAM芯片连接；说明书CN104061931A2/5页50010所述的处理器核还通过LMB总线分别与BRAM_0控制器和BRAM_1控制器相连接，BRAM_0控制器与BRAM_0存储器连接，BRAM_1控制器与BRAM_1存储器相连接；0011处理器核还通过FSL总线与显示控制器相连接，显示控制器与显示模块连接。0012所述的SPI_A接口是标准的SPI接口，所述的UART_H接口是标准的RS232接口，所述的SPI_。
13、F接口是标准的SPI接口，所述的UART_U接口是标准RS232接口，所述的SPI_S接口是标准的SPI接口。0013所述的BRAM_0存储器是FPGA芯片的内部RAM，所述的BRAM_1存储器是FPGA芯片的内部RAM。0014本发明以导航系统中不可或缺的姿态检测系统为问题切入点，构建了以MEMS惯性器件、电子罗盘为传感器，FPGA为运算核心的导航计算平台，并研究了一种姿态检测系统的多传感器数据融合方法。0015本发明提供的基于FPGA的小型便携式多传感器姿态检测系统的效果该姿态检测系统使用一片FPGA芯片完成传感器数据采集、数据通讯及算法运算，并且使用一片FLASH芯片存储FPGA的配置数。
14、据和应用程序，具有较高的系统集成度，提高了系统可靠性。在构建片上系统时，考虑到处理器核的流水线工作方式，采用多种类型的总线连接处理器核和片上外围接口，并采用FPGA内部RAM存储应用程序的“数据段”和“堆栈段”，提高了处理器核的执行效率。通过三维姿态角试验可以看出，该姿态检测系统从传感器数据采集到姿态解算的时间仅为360US。附图说明0016图1为本发明提供的基于FPGA的小型便携式多传感器姿态检测系统的组成示意图。0017图2为本发明提供的基于FPGA的小型便携式多传感器姿态检测系统中FPGA芯片的内部结构示意图。具体实施方式0018下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于FPGA的小型便。
15、携式多传感器姿态检测系统进行详细说明。0019如图1所示，本发明提供的基于FPGA的小型便携式多传感器姿态检测系统包括FPGA芯片1、两片SDRAM芯片2、FLASH芯片3、陀螺/加速度传感器4、磁传感器5、电平转换芯片6、显示模块7、通信接口8、外部存储器9和电源模块10；其中FPGA芯片1为本系统的控制运算中心，其分别与两片SDRAM芯片2、FLASH芯片3、陀螺/加速度传感器4、电平转换芯片6、显示模块7、通信接口8、外部存储器9相连接，电平转换芯片6与磁传感器5相连接，通信接口8与上位机相连接，电源模块10为供电电源，其与本系统中的各用电部件相连接。0020所述的陀螺/加速度传感器4、。
16、磁传感器5和电平转换芯片6组成传感器模块，陀螺/加速度传感器4负责采集载体的转动角速率，磁传感器5负责采集地磁场强度，电平转换芯片6负责将磁传感器5的5V端口电平转换成33V，便于和FPGA芯片1进行数据通讯；0021所述的FPGA芯片1、SDRAM芯片2、FLASH芯片3组成运算模块，FPGA芯片1负责说明书CN104061931A3/5页6数据采集、算法运算及数据通讯，SDRAM芯片2负责存储FPGA芯片1执行过程中的程序代码，它具有读写速度快、掉电数据易失的特点，系统中使用了两片SDRAM芯片2将数据总线扩展到32位，可以有效提高数据读写效率，FLASH芯片3负责存储FPGA芯片1的配置。
17、信息和FPGA芯片1执行的程序代码，它具有掉电数据不丢失的特点，当系统上电后，FPGA芯片1的配置信息和SDRAM芯片2中的程序代码都需要从该芯片中读取；0022电源模块10由锂电池和电平转换芯片组成，锂电池提供的电压是74V，电平转换芯片负责将锂电池电压转换成5V、33V和12V，以供系统其他模块正常工作；0023通信接口8为与外部设备进行数据交换的通信接口，采用MAX3222通信接口芯片，用于和上位机通信；0024显示模块7为液晶显示器，采用液晶屏LCD2004，用于显示运算模块解算得到的姿态参数；0025外部存储器9由SD卡组成，用于存储经过运算模块解算得到的姿态参数。0026所述的陀螺。
18、/加速度传感器4为MEMS传感器，采用ADIS16385，磁传感器5采用HMR3300，所述的电平转换芯片6采用74LVC4245。0027所述的SDRAM芯片2采用CY7C1021、FLASH芯片3采用W25Q80。0028所述的FPGA芯片1为现场可编程门阵列器件，采用XILINX公司的XC6SLX9芯片；为了使FPGA器件具有算法运算功能，需要构建片上系统，如图2所示；所述的FPGA芯片1的内部片上系统包括处理器核101、SPI_A接口102、SPI_F接口104、SPI_S接口116、UART_H接口103、UART_U接口105、AXI_P总线106、AXI_E总线107、存储器控制。
19、器108、LMB总线109、BRAM_0控制器110、BRAM_1控制器112、BRAM_0存储器111、BRAM_1存储器113、FSL总线114、显示控制器115；0029其中处理器核101通过AXI_P总线106与SPI_A接口102、UART_H接口103、SPI_F接口104、UART_U接口105和SPI_S接口116相连接，SPI_A接口102与陀螺/加速度传感器4相连接；UART_H接口103通过电平转换芯片6与磁传感器5相连接；SPI_F接口104与FLASH芯片3相连接；UART_U接口105通过通信接口8与上位机相连接；SPI_S接口116与外部存储器9相连接；0030处。
20、理器核101还通过AXI_E总线107与存储器控制器108相连接，存储器控制器108通过32位总线与两片SDRAM芯片2连接；0031处理器核101还通过LMB总线109分别与BRAM_0控制器110和BRAM_1控制器112相连接，BRAM_0控制器110与BRAM_0存储器111连接，BRAM_1控制器112与BRAM_1存储器113相连接；0032处理器核101还通过FSL总线114与显示控制器115相连接，显示控制器115与显示模块7连接。0033所述的处理器核101采用XILINX公司的软处理器核MICROBLAZE，负责程序指令的取指、解码及执行。0034所述的SPI_A接口102。
21、是标准的SPI接口，用于处理器核101控制陀螺/加速度传感器4的工作模式，并采集它的数据。0035所述的UART_H接口103是标准的RS232接口，用于处理器核101采集磁传感器5的数据。说明书CN104061931A4/5页70036所述的SPI_F接口104是标准的SPI接口，用于处理器核101读写FLASH芯片3中存储的应用程序。0037所述的UART_U接口105是标准RS232接口，用于处理器核101将姿态参数上传给上位机。0038所述的AXI_P总线106是一种高性能片上系统总线，用于处理器核101访问片上外设。0039所述的AXI_E总线107和AXI_P总线106是同类型总线。
22、，是处理器核101访问存储器控制器108的专用通道。0040所述的存储器控制器108等效于SDRAM芯片2的硬件驱动器。0041所述的LMB总线109是一种本地存储器访问总线，可实现对BRAM_0存储器111和BRAM_1存储器113的高速访问。0042所述的BRAM_0控制器110用于控制BRAM_0存储器111。0043所述的BRAM_1控制器112用于控制BRAM_1存储器113。0044所述的BRAM_0存储器111是FPGA芯片1的内部RAM，具有较高的访问速率，用于存储引导加载程序。0045所述的BRAM_1存储器113是FPGA芯片1的内部RAM，具有较高的访问速率，用于存储应用。
23、程序的“数据段”和“堆栈段”。0046所述的FSL总线114是一种单向通道总线接口，用于处理器核101对显示控制器115的快速访问。0047所述的显示控制器115是由VHDL语言编写的用户自定义IP核，用于将处理器核101对显示模块7的操作命令进行解码，从而得到显示模块7的操作时序。0048所述的SPI_S接口116是标准的SPI接口，用于处理器核101对外部存储器9的数据读写。0049针对上述系统的软件开发主要包含引导加载程序和应用程序，软件实现过程如下系统上电后，FPGA芯片1读取FLASH芯片3中的配置数据，实现片上系统的构建，被同时读取到FPGA芯片1内的还有引导加载程序，片上系统构建。
24、完成后，引导加载程序开始运行，首先通过SPI_F接口104读取FLASH芯片3内的应用程序代码，将应用程序的“数据段”和“堆栈段”复制到BRAM_1存储器113中，将应用程序的“代码段”复制到SDRAM芯片2中，同时通过识别存储在FLASH芯片3中同步字标签获取应用程序的中断子程序存储在SDRAM芯片2中的地址量，并修改中断跳转指令，最后修改程序计数器将命令指针指向SDRAM芯片2的起始地址，执行应用程序，通过姿态解算算法得到姿态参数。0050针对姿态解算算法使用互补滤波器实现，实现方法如下0051将采样得到的角速率利用欧拉角法算出姿态角00520053根据重力加速度对加速度计的影响，将采样得。
25、到加速度量通过如下方法得到姿态角中的俯仰角和横滚角说明书CN104061931A5/5页800540055根据步骤2得到的俯仰角和横滚角，并结合磁传感器采样得到的磁场强度算出航向角00560057设计互补滤波器将步骤1得到姿态角和步骤2、3得到的姿态角数据融合得到姿态角的优化值，利用拉普拉斯变换将互补滤波模型方程表示为0058005900600061其中，表示载体的俯仰角，表示载体的横滚角，表示载体的航向角，FBX、FBY、FBZ分别表示三轴加速度计测量值，G表示重力加速度量，MN表示载体所处位置的地磁场在导航坐标系下的矢量，MB表示磁传感器测得的三轴磁场强度，KP1、KI1、KP2、KI2、。
26、KP3、KI3表示互补滤波器的参数，为了避免载体运动加速度给步骤2的计算结果带来较大误差，使用了阈值判定准则，当检测到载体存在运动加速度时，互补滤波器参数KP1、KI1、KP2、KI2、KP3、KI3置零，否则恢复设定值。0062本发明提供的基于FPGA的小型便携式多传感器姿态检测系统是以MEMS惯性元件、电子罗盘为传感器构建的。在FPGA芯片1上设计具有快速、高效率处理能力的片上系统，使FPGA芯片1能够实现导航算法运算，并增加SPI接口、RS232接口和显示控制器，用于传感器的数据采集、姿态角的上传和显示。该检测系统使用锂电池进行供电，系统通电后，FPGA芯片1读取FLASH芯片3中的配置。
27、数据，实现片上系统的构建，被同时读取到FPGA芯片1内的还有引导加载程序，片上系统构建完成后，引导加载程序开始运行，首先通过SPI_F接口104读取FLASH芯片3内的应用程序代码，将应用程序的“数据段”和“堆栈段”复制到BRAM_1存储器113中，将应用程序的“代码段”复制到SDRAM芯片2中，同时通过识别存储在FLASH芯片3中同步字标签获取应用程序的中断子程序存储在SDRAM芯片2中的地址量，并修改中断跳转指令，最后修改程序计数器将命令指针指向SDRAM芯片2的起始地址，执行应用程序，通过姿态解算算法得到姿态参数。并将姿态角发送给显示控制器115和UART接口105，用于显示和上传。说明书CN104061931A1/1页9图1图2说明书附图CN104061931A。