基于OMAPL138 DSP+ARM+FPGA的捷联惯导系统硬件平台研究与设计

最近十几年,光纤捷联惯导系统的发展十分迅速,但是与相其配套的导航系统硬件平台依旧存在很多的局限性,最主要的问题是集中式的任务处理。这是由于其硬件平台不仅仅用于进行复杂的导航数据解算,而且还要用于系统控制、信息存储和外部通信等等功能。这种所有任务都要集中到一块处理器上来处理,因此不可避免地就会致使导航解算的实时性和功效性受到很大的影响。另外,传统的硬件平台一般采用串口来完成与外界的通信,由于串口通信方式的局限性,这无疑就会导致通信距离,通信速率等一系列问题。针对上述问题,本论文提出了以双核异构芯片OMAP-L138为核心处理器的惯性导航系统硬件平台的设计解决方案。这种捷联系统硬件平台在控制系统板复杂度的前提下,增加了一个ARM9核,这就解放了DSP核,让其专注于运行导航算法,新添加的ARM核则可以负责系统逻辑控制和外部通信等功能。更重要的是,在ARM核上运行嵌入式linux系统后,可以更加方便快捷的完成系统控制功能,另外,在linux系统上可以实现网络通信从而代替传统的串口通信,这样会使整个系统越加具有竞争力。在此思路下,本论文的重点是在完成硬件设计及焊接调试工作后,研究DSP端的惯导解算程序、OMAPL138内部的双核通信程序的实现和ARM端开发环境的搭建。硬件基础采用FPGA+OMAPL138芯片,OMAPL138芯片内两个内核分别运行SYS/BIOS和Linux操作系统。本论文首先概述了课题研究的背景、意义以及国内发展现状等;然后,根据实际工程和系统功能需求研究设计出系统硬件平台的总体方案。接着,根据捷联惯导系统对其硬件平台的性能及功能要求设计出了各模块的原理图,在此基础上完成了PCB板的制作并按一定的顺序焊接整块电路板。随后,研究设计出了系统的整体软件框架,主要由DSP端和ARM端两部分组成。接着在CCS下利用C语言编写了DSP核与ARM核各自的应用程序,实现了各自的功能。最后,在宿主机安装交叉编译器的前提下完成了,BootLoader、Linux内核及文件系统的移植工作,并在此基础上安装了SysLink组件,用于实现双核数据交换功能。论文最后,通过读写测试及串口助手的配合对系统硬件各个接口外设的基本功能以及与FPGA之间的通信功能进行测试和验证,另外,也对OMAPL138双核通信功能进行测试和验证;最后,将原系统的导航算法程序经过相应的修改后移植到本系统上,搭配双核通信程序及ARM端串口通信程序进行系统整体的性能测试,验证了本文设计的惯性导航系统硬件平台的可行性。

1 评估板简介 :信迈XM138F-IDK-V3
基于 TI TMS320C6748 定点/浮点 DSP C674x + Xilinx Spartan-6 FPGA 处理器； Ø DSP 与 FPGA 通过 uPP、EMIFA、I2C 总线连接，通信速度可高达 228MByte/s； Ø DSP 主频 456MHz，高达 3648MIPS 和 2746MFLOPS 的运算能力；
FPGA 兼容 Xilinx Spartan-6 XC6SLX9/16/25/45，平台升级能力强；
开发板引出丰富的外设，包含千兆网口、SATA、EMIFA、uPP、USB 2.0 等高速数据传
输接口，同时也引出 GPIO、I2C、RS232、PWM、McBSP、VGA、PMOD、RS485 等常见接口；
通过高低温测试认证，适合各种恶劣的工作环境；
DSP+FPGA 双核核心板，尺寸为 66mm*38.6mm，采用工业级 B2B 连接器，保证信号完整性； Ø
可充放电池电路，提供多种标准工业接口，可连多通道 AD、DA 等模块，拓展能力强；
支持裸机、SYS/BIOS 操作系统。

图1 开发板正面和侧视图

XM6748F-IDK-V3.0 是一款基于深圳信迈XM6748F-SOM核心板设计的开发板，采用沉金无铅工艺的4层板设计，它为用户提供了 XM6748F-SOM核心板的测试平台，用于快速评估XM6748F-SOM核心板的整体性能。

XM6748F-SOM引出CPU全部资源信号引脚，二次开发极其容易，客户只需要专注上层应用，大大降低了开发难度和时间成本，让产品快速上市，及时抢占市场先机。不仅提供丰富的 Demo 程序，还提供详细的开发教程，全面的技术支持，协助客户进行底板设计、调试以及软件开发。