摘 要 介绍了一种基于DSP处理器TMS320F206的GPS+IMU组合导航模块的硬件设计方法，设计中利用DSP的构架可简化外围电路的设计，利用GPS+IMU组合导航可提高导航的准确性，设计中同时综合考虑性能的稳定性、成本控制等多方面因素，具有较高的应用前景。

　　关键词 DSP；GPS；IMU

　　中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）09-0027-02

　　GPS+IMU导航模块的导航原理为：在飞行器飞行的过程中，通过导航方程解算出当前时刻飞行器应到达的理论坐标，同时模块接收GPS定位信号后，得出同一时刻飞行器的实际坐标，通过实际坐标和理论坐标比较，得到当前航道的偏离值，通过对偏离值的解算，输出对飞行器的控制信号，修正飞行轨迹，从而达到精确导航的目的。在实际应用中GPS接收信号受天气、周边电子环境的影响，可能会出现接收不到GPS卫星信号的情况，此时IMU的信号将作为获取当前实际坐标的补充手段。

　　1 系统结构

　　导航模块的设计需求如下。

　　1）实现GPS信号的接收和处理。

　　2）实现信息以ARINC429协议形式传输。

　　3）GPS位置精度为5 m，速度精度为0.1 m/s。

　　4）使用28 V直流电源供电。

　　5）输出GPS秒脉冲信号。

　　6）扩展64 kB程序RAM空间和64 kB数据RAM空间。

　　7）ARINC429数据总线一路接收，一路发送，发送接收速率100 kHz。

　　导航模块的系统结构框主要包括：DSP电路、电源转换电路、看门狗复位电路、ARINC429接口电路、控制逻辑电路、GPS接收电路、串行接口电路和SRAM电路。

　　2 系统设计

　　2.1 硬件设计

　　1）DSP电路。CPU的核心功能是负责指令执行、逻辑运算、数据的运算处理等，CPU采用TI公司的TMS320F206芯片，F206是TI公司TMS320系列中的一款定点DSP，该芯片具有高性能低功耗的特点，工作频率最高可达20 MHz，指令周期50 ns，片内集成64 kB的EEPROM，1 kB的DRAM、8 kB的SRAM，最大128 kB的程序、数据和I/O独立寻址空间，1个32bit计时器，1个异步串行通信接口，4个可编程I/O管脚和3个外部中断源。

　　采用F206可以充分利用该芯片内部集成的资源简化硬件电路设计，实现导航模块中需要的ARINC429电路，SRAM电路和GPS数据接收电路，同时TI公司提供专用的DSP开发环境，硬件调试和软件开发均很方便。

　　2）电源转换电路。导航模块采用PowerGood公司的DC/DC电源模块实现外部电源+28 V到内部5 V、±15 V的电压转换，+5 V提供给模块中数字电路使用，最大输出电流3 A，±15 V提供给ARINC429接口电路的驱动器使用，每路最大输出电流0.5 A。PCB设计时，+5 V电源和GND采用平板设计，在电源的输出端及各个芯片的电源端布置一些瓷介电容，能够有效控制电源输出的纹波。

　　3）看门狗复位电路。

　　①看门狗电路。导航模块具有看门狗功能，当看门狗功能失效后，将产生看门狗中断，看门狗中断和F206非可屏蔽中断连接，用于监控模块运行状态。看门狗功能上电默认为禁止，在CPLD内部设置有看门狗使能寄存器，可以通过软件使能或禁止看门狗功能，看门狗定时周期由硬件设置。

　　②复位电路。导航模块硬件复位包括两种：上电复位和手动复位。

　　上电复位：当5 V电压低于4.65 V时，导航模块处于复位状态，5 V电压高于4.65 V后，产生大于200 ms的复位信号，复位模块整个硬件。

　　手动复位：由外部手动复位按键输入引起，外部输入一个低电平信号后，将产生大于200 ms复位信号，复位整个模块硬件。

　　4）ARINC429接口电路。导航模块的ARINC429电路用于发送GPS定位数据和接收IMU导航数据。

　　ARINC429总线是美国航空无线电公司（ARINC）制定的民用航空数字总线传输标准，广泛应用于航空电子系统的数据传输，数据采用双极性归零码开环传输，调制信号由高、零和低三种状态组成。传输的标准速率为：高速100 kbps和低速12.5 kbps。通信设备间双向传输时，需要在两个方向上各用一组独立的传输总线。ARINC429总线传输时采用差分信号进行传输，具有抗干扰性强、传输距离远和电路简单可靠等优点。

　　导航模块429电路结构如图1所示。

　　图1 429电路结构设计示意图

　　429协议电路由专用429协议芯片DEI1016实现，具有两路接收和一路发送功能，DEI1016 主要用来完成数据收、发时所必须具备的串并和并串转换功能，收、发功能互相独立，收、发过程中自动完成串并和并串转换。

　　429发送接口驱动电路由BD429芯片实现，BD429用来完成对两路发送信号的差分驱动，采用±15 V供电，429接收信号可直接和DEI1016芯片连接，不需要进行电平转换。

　　429控制电路由CPLD和F206的I/O接口实现。协议芯片所需时钟由F206计时器提供，通过配置F206计时器寄存器，由计时器产生频率为1 MHz，教育论文占空比50%的时钟信号供429协议芯片使用。

　　429电路的状态信号“#DR1（通道1接收完毕）”、“#DR2（通道2接收完毕）”、“TXR（数据发送准备好）”由F206的I/O接口用查询的方式判断，在F206的初始化时，将这3个I/O接口设置为输入方式，429的“ENTX（发送使能）”信号也由F206的I/O接口产生，加载数据时将该信号置高，在数据加载到发送寄存器后，将该信号置低，从而发送429数据，该I/O接口在F206初始化时设置为输出。

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