POS系统中数据存储电路的设计与实现
2022-06-09
0 引 言
高精度位置姿态测量系统（Position and Orientation System，POS）由惯性测量单元（IMU）、全球定位系统（Global Position System，gps）和POS计算机（POS Computer System，PCS）以及后处理软件组成[1]。POS既是航空对地观测系统完成军事侦察、军事测绘等任务必不可少的关键装备，也是解决人类面临的资源紧缺、环境恶化、灾害频发等一系列重大问题的现代战略高技术手段[2]。利用IMU原始数据和GPS原始数据进行POS系统后处理是提升整个系统输出精度的关键手段，也是各类载荷高精度位置姿态的可靠基准[3]，而数据存储单元是POS系统后处理的数据来源；此外，利用存储单元记录的POS实时导航数据，可以对POS系统的故障进行分析，便于及时发现并处理系统运行过程中的种种问题，有利于提高整个系统的可测试性。
存储技术历经多年发展，已经从原始的磁带记录逐步过渡到光盘记录和目前的半导体存储器[4]。POS系统属于机载设备，一般工作于高低温变化大，电磁干扰严重，振动冲击大的复杂环境下，这就要求存储电路必须能承受宽温度范围，工作于复杂电磁环境且有良好的抗冲击性能。POS系统经常和各类载荷安装在一起工作，为减小安装平台的负担，POS系统的体积、重量和功耗都有严格的限制。为了达到与各类载荷进行通信的目的，POS系统应具有多种通信接口，如CAN，RS 422和RS 232等，POS存储电路要接收POS系统的各项数据就必须融合上述多种通信接口。此外，POS系统工作的实时性很高且工作时间较长，因此POS存储电路必须速度快，容量大。半导体存储器相对于其他存储器，体积更小，功耗更低，速度快，存储容量大且能工作于恶劣环境，而嵌入式微处理器的飞速发展也大大提高了半导体存储器的存储速度。因此，本文设计了一种基于STM32硬件平台的高速POS存储电路[5]，实现对POS系统各项工作数据的实时存储。
1 POS系统结构概述
POS系统的组成框图如图1所示。
惯性测量单元IMU通过三支陀螺仪和三支加速度计实时采集观测载荷的角运动和线运动信息，利用内置的温度传感器采集陀螺仪和加速度计的温度信息，并经过预处理后发送给PCS进行捷联解算；GNSS预处理模块接收GNSS基站和流动站的卫星导航信号，进行差分处理后发送给PCS；INS/GNSS实时融合处理模块将捷联解算后的数据和GNSS差分后的数据进行分析，一部分实时输出给载荷作为位置和姿态基准，另一部分发送给数据存储单元作为后处理的数据源[6]。POS实时定位定姿信息的精度往往达不到各类载荷高清成像的要求，因此实时任务完成后，必须采用后处理软件对采集存储的IMU，GNSS信息进行后处理，以获取高精度位置、速度和姿态信息，确保各类载荷成像质量。
由此可见，POS系统的后处理能有效提升整个系统的输出精度，为各类载荷提供更高精度的位置姿态基准，而数据存储单元能存储POS后处理所需的所有原始信息，此外，存储单元能透明地记录POS系统飞行过程中的所有数据，其作用相当于飞机当中的黑匣子，便于用户进行事后故障分析，为此给出了POS存储系统的设计。
2 POS数据存储电路总体设计 2.1 总体结构设计
数据存储系统主要完成数据的采集、数据的存储和数据发送。为了给各类载荷提供实时的位置姿态基准，POS系统的数据更新率必须很高，目前已达到200 Hz，PCS向载荷发送数据的波特率高达460 800 b/s，这就要求存储电路具有高速的通信接口和中央控制器。CAN总线和RS 422总线的最高波特率能高达1 Mb/s和10 Mb/s，完全能接收PCS高速输出的数据，此外CAN和RS 422均采用差分信号进行传输，能保证数据传输的可靠性，在电路的设计中增加RS 232接口，能提高整个存储电路的通用性。以高速ARM控制器作为存储系统的核心控制芯片是最好的选择，其运行速度快，核心频率可超过100 MHz；具有CAN，USART和SPI等丰富的外设，只需对它们进行简单的编程即可完成数据的收发，利用高速SD卡作为ARM控制器的外部存储器，可轻松实现数据的快速存储，整个存储系统的结构图如图2所示。
图2中IMU原始数、GPS原始数和POS导航数据分别通过RS 422接口、RS 232接口和CAN总线接口传送至STM32最小系统，STM32芯片以DMA中断的方式将接收的数据缓存至内部RAM区，利用其自身的SPI接口驱动SD卡，将接收的数据按照FAT32文件系统的格式以文本文件的形式存入SD卡。为方便用户读取SD卡存储的原始数据信息，本文设计了通用的USB读卡器模块，USB读卡器芯片内部集成了文件系统功能，只需要简单的外部电路连接即可实现与计算机的USB通信，不仅降低了电路成本，而且提高了整个系统的可靠性。
3 系统软硬件实现
3.1 系统电源模块
POS系统是航空遥感领域一个必不可少的部分，在实际应用中对POS系统的体积和功耗有非常严格的要求。存储电路作为POS系统的重要组成部分，其功耗和体积应尽可能的降低。因此本文所选用的器件工作电压均为3.3 V，器件封装均采用贴片式。POS存储电路系统电源模块设计图如图3所示，飞机输出的航空标准电源电压28 V经过二次电源模块的转换后变为5 V，二次电源模块选用西安伟京电子生产的28to5DC?DC模块。为了满足POS存储电路的工作电压要求，必须设计电源转换模块将系统的5 V电压转换为存储电路所需的3.3 V工作电压。根据POS的特殊工作环境，POS存储电路的电源应该具有较高的可靠性，能输出3.3 V的稳定电压，电源的稳定性要好，纹波电压小且输出功率足够大[7]。本文选用TI公司的TPS75201，这款芯片的工作温度范围宽（-55～125 ℃），输入电压承受范围宽（-0.3～13.5 V），输出功率大（输出电流高至2 A），芯片体积小且散热性能好。
3.2 数据采集模块
数据采集电路是整个存储电路的最前端，它接收来自导航计算机的IMU原始数、GPS原始数和实时导航数据。本文设计了CAN接口、RS 422接口和RS 232接口，它们与STM32单片机的物理层电路设计图如图4所示。其中CAN和RS 422均采用差分信号进行传输[8]，能保证数据传输的可靠性，RS 232接口能和PC机进行实时通信，将存储电路的工作状态实时报告给上位机。
5 结 语
研制高精度位置姿态测量系统，提高各类航空遥感载荷的成像精度，对增强我国国防实力具有重要意义。而POS数据存储系统是高精度位置姿态测量系统中必不可少的部分。本文从系统结构和软、硬件实现两方面给予了分析设计，最终实现了稳定的POS数据存储系统，保证POS后处理工作正常进行，促进了我国航空遥感事业的快速发展。
参考文献
[1] 高钟毓.惯性导航系统技术[M].北京：清华大学出版社，2012.
[2] 安培浚，高峰，曲建升.对地观测系统未来发展趋势及其技术需求[J].遥感技术与应用，2007，22（6）：28?29.
[3] 李德仁，王树根，周月琴.摄影测量与遥感概论[M].2版.北京：测绘出版社，2008.
[4] 刘凯.存储技术基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，2011.
[5] 刘波文，孙岩.嵌入式实时操作系统μC/OS?Ⅱ经典实例：基于STM32处理器[M].北京：北京航空航天大学出版社，2014.
[6] 秦永元.卡尔曼滤波与组合导航原理[M].西安：西北工业大学出版社，2012.
[7] 张文俊，聂国健，郑丽香.国外最新可靠性预计方法综述[J].电子产品可靠性与环境试验，2009，27（2）：24?28.
[8] 赵伟高，朱庄生.无人机电力巡检中光纤IMU数据采集系统设计[J].现代电子技术，2013，36（16）：34?37.
高精度位置姿态测量系统（Position and Orientation System，POS）由惯性测量单元（IMU）、全球定位系统（Global Position System，gps）和POS计算机（POS Computer System，PCS）以及后处理软件组成[1]。POS既是航空对地观测系统完成军事侦察、军事测绘等任务必不可少的关键装备，也是解决人类面临的资源紧缺、环境恶化、灾害频发等一系列重大问题的现代战略高技术手段[2]。利用IMU原始数据和GPS原始数据进行POS系统后处理是提升整个系统输出精度的关键手段，也是各类载荷高精度位置姿态的可靠基准[3]，而数据存储单元是POS系统后处理的数据来源；此外，利用存储单元记录的POS实时导航数据，可以对POS系统的故障进行分析，便于及时发现并处理系统运行过程中的种种问题，有利于提高整个系统的可测试性。
存储技术历经多年发展，已经从原始的磁带记录逐步过渡到光盘记录和目前的半导体存储器[4]。POS系统属于机载设备，一般工作于高低温变化大，电磁干扰严重，振动冲击大的复杂环境下，这就要求存储电路必须能承受宽温度范围，工作于复杂电磁环境且有良好的抗冲击性能。POS系统经常和各类载荷安装在一起工作，为减小安装平台的负担，POS系统的体积、重量和功耗都有严格的限制。为了达到与各类载荷进行通信的目的，POS系统应具有多种通信接口，如CAN，RS 422和RS 232等，POS存储电路要接收POS系统的各项数据就必须融合上述多种通信接口。此外，POS系统工作的实时性很高且工作时间较长，因此POS存储电路必须速度快，容量大。半导体存储器相对于其他存储器，体积更小，功耗更低，速度快，存储容量大且能工作于恶劣环境，而嵌入式微处理器的飞速发展也大大提高了半导体存储器的存储速度。因此，本文设计了一种基于STM32硬件平台的高速POS存储电路[5]，实现对POS系统各项工作数据的实时存储。
1 POS系统结构概述
POS系统的组成框图如图1所示。
惯性测量单元IMU通过三支陀螺仪和三支加速度计实时采集观测载荷的角运动和线运动信息，利用内置的温度传感器采集陀螺仪和加速度计的温度信息，并经过预处理后发送给PCS进行捷联解算；GNSS预处理模块接收GNSS基站和流动站的卫星导航信号，进行差分处理后发送给PCS；INS/GNSS实时融合处理模块将捷联解算后的数据和GNSS差分后的数据进行分析，一部分实时输出给载荷作为位置和姿态基准，另一部分发送给数据存储单元作为后处理的数据源[6]。POS实时定位定姿信息的精度往往达不到各类载荷高清成像的要求，因此实时任务完成后，必须采用后处理软件对采集存储的IMU，GNSS信息进行后处理，以获取高精度位置、速度和姿态信息，确保各类载荷成像质量。
由此可见，POS系统的后处理能有效提升整个系统的输出精度，为各类载荷提供更高精度的位置姿态基准，而数据存储单元能存储POS后处理所需的所有原始信息，此外，存储单元能透明地记录POS系统飞行过程中的所有数据，其作用相当于飞机当中的黑匣子，便于用户进行事后故障分析，为此给出了POS存储系统的设计。
2 POS数据存储电路总体设计 2.1 总体结构设计
数据存储系统主要完成数据的采集、数据的存储和数据发送。为了给各类载荷提供实时的位置姿态基准，POS系统的数据更新率必须很高，目前已达到200 Hz，PCS向载荷发送数据的波特率高达460 800 b/s，这就要求存储电路具有高速的通信接口和中央控制器。CAN总线和RS 422总线的最高波特率能高达1 Mb/s和10 Mb/s，完全能接收PCS高速输出的数据，此外CAN和RS 422均采用差分信号进行传输，能保证数据传输的可靠性，在电路的设计中增加RS 232接口，能提高整个存储电路的通用性。以高速ARM控制器作为存储系统的核心控制芯片是最好的选择，其运行速度快，核心频率可超过100 MHz；具有CAN，USART和SPI等丰富的外设，只需对它们进行简单的编程即可完成数据的收发，利用高速SD卡作为ARM控制器的外部存储器，可轻松实现数据的快速存储，整个存储系统的结构图如图2所示。
图2中IMU原始数、GPS原始数和POS导航数据分别通过RS 422接口、RS 232接口和CAN总线接口传送至STM32最小系统，STM32芯片以DMA中断的方式将接收的数据缓存至内部RAM区，利用其自身的SPI接口驱动SD卡，将接收的数据按照FAT32文件系统的格式以文本文件的形式存入SD卡。为方便用户读取SD卡存储的原始数据信息，本文设计了通用的USB读卡器模块，USB读卡器芯片内部集成了文件系统功能，只需要简单的外部电路连接即可实现与计算机的USB通信，不仅降低了电路成本，而且提高了整个系统的可靠性。
3 系统软硬件实现
3.1 系统电源模块
POS系统是航空遥感领域一个必不可少的部分，在实际应用中对POS系统的体积和功耗有非常严格的要求。存储电路作为POS系统的重要组成部分，其功耗和体积应尽可能的降低。因此本文所选用的器件工作电压均为3.3 V，器件封装均采用贴片式。POS存储电路系统电源模块设计图如图3所示，飞机输出的航空标准电源电压28 V经过二次电源模块的转换后变为5 V，二次电源模块选用西安伟京电子生产的28to5DC?DC模块。为了满足POS存储电路的工作电压要求，必须设计电源转换模块将系统的5 V电压转换为存储电路所需的3.3 V工作电压。根据POS的特殊工作环境，POS存储电路的电源应该具有较高的可靠性，能输出3.3 V的稳定电压，电源的稳定性要好，纹波电压小且输出功率足够大[7]。本文选用TI公司的TPS75201，这款芯片的工作温度范围宽（-55～125 ℃），输入电压承受范围宽（-0.3～13.5 V），输出功率大（输出电流高至2 A），芯片体积小且散热性能好。
3.2 数据采集模块
数据采集电路是整个存储电路的最前端，它接收来自导航计算机的IMU原始数、GPS原始数和实时导航数据。本文设计了CAN接口、RS 422接口和RS 232接口，它们与STM32单片机的物理层电路设计图如图4所示。其中CAN和RS 422均采用差分信号进行传输[8]，能保证数据传输的可靠性，RS 232接口能和PC机进行实时通信，将存储电路的工作状态实时报告给上位机。
5 结 语
研制高精度位置姿态测量系统，提高各类航空遥感载荷的成像精度，对增强我国国防实力具有重要意义。而POS数据存储系统是高精度位置姿态测量系统中必不可少的部分。本文从系统结构和软、硬件实现两方面给予了分析设计，最终实现了稳定的POS数据存储系统，保证POS后处理工作正常进行，促进了我国航空遥感事业的快速发展。
参考文献
[1] 高钟毓.惯性导航系统技术[M].北京：清华大学出版社，2012.
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[4] 刘凯.存储技术基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，2011.
[5] 刘波文，孙岩.嵌入式实时操作系统μC/OS?Ⅱ经典实例：基于STM32处理器[M].北京：北京航空航天大学出版社，2014.
[6] 秦永元.卡尔曼滤波与组合导航原理[M].西安：西北工业大学出版社，2012.
[7] 张文俊，聂国健，郑丽香.国外最新可靠性预计方法综述[J].电子产品可靠性与环境试验，2009，27（2）：24?28.
[8] 赵伟高，朱庄生.无人机电力巡检中光纤IMU数据采集系统设计[J].现代电子技术，2013，36（16）：34?37.