資料介紹
引言
當今社會,GPS衛星定位系統早已廣泛應用于人們的社會生活中,如交通工具導航、個人定位服務等。但在某些情況下,由于物體遮蔽、散射等原因,我們無法實時接收到GPS衛星信號(比如列車進入隧道)。所以有必要研究在GPS信息缺失的情況下,如何通過一定的算法產生模擬GPS信息,從而實現全天候的無縫位置感知。這在某些對位置信息敏感的場合中就顯得非常急迫和重要。
1 慣導芯片簡介
ADIS16003是ADI公司的一款低成本、低功耗,具有SPI接口的雙軸加速度計,屬MEMS傳感器件。它可以測量動態和靜態加速度并以數字量輸出,測量范圍最小可以達到±1.7 g,同時還集成了溫度傳感器,可用于慣性導航、振動檢測和穩定性測試等場合中。
SPI是串行外圍設備接口,是Motorola公司首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的。目前已廣泛應用在EEPROM、Flash、實時時鐘、A/D轉換器以及數字信號處理器和數字信號解碼器之間,是一種高速的全雙工同步通信總線。SPI通信只需要4根線,分別為SDI(數據輸入)、SDO(數據輸出)、SCK(時鐘)和CS(片選)。通信是通過數據交換的方式完成的。SPI接口使用串行通信協議,由SCK提供時鐘脈沖,SDI、SDO則基于此脈沖完成數據傳輸。數據輸出通過SDO線,數據在時鐘上升沿或下降沿時改變,在緊接著的下降沿或上升沿被讀取,完成一位數據傳輸。數據輸入也使用同樣的原理。
ADIS16003的SPI接口通信時序及控制寄存器配置如圖1、圖2所示。其中,常用控制字為00000100和00001100,分別表示以正常模式采集X軸和Y軸雙軸軸向加速度。
2 系統工作原理及主要控制信號說明
本文研究了如何在移動端GPS信息缺失的情況下,使用SPI協議建立FPGA與慣導芯片ADIS16003之間的通信,從而獲取移動物體當前的加速度。DSP將通過EMIF接口讀取此加速度,并根據之前有效的GPS信息推算出當前的概略GPS信息(經緯度、速度和時間等)。
2.1 工作原理
FPGA驅動ADIS16003慣導芯片工作包括初始啟動和正常啟動兩種模式。
?。?)初始啟動模式
FPGA上電復位時自啟動ADIS16003芯片,配置ADIS16003控制寄存器,并讀取芯片測得的雙軸軸向加速度初始值,存儲到EMIF接口的0x068~0x069地址空間供DSP讀取,用作誤差校正之用(此模式工作在移動端處于靜止狀態時,且此模式僅由DSP讀取1次)。
(2)正常啟動模式
初始啟動模式完成之后,FPGA將自動轉入數據采集階段,源源不斷地通過SPI接口從ADIS16003芯片中采集雙軸軸向瞬時加速度,以備DSP使用。加速度每秒采集8次,每隔0.125 s采集一次。每秒都將得到8組結果,分別為ax0ay0、ax1ay1、ay2ay2、ax3ay3、ax4ay4、ax5ay5、ax6ay6和ax7ay7,存儲于FGPA內部的8個中間寄存器單元reg0~reg7(非EMIF接口,每個輸出結果為12×2位,存儲于32位的寄存器組中),并隨著時間的推移不斷地刷新。這么做的目的是確保這8個寄存器組中始終保存有最近1 s的移動物體加速度信息,以保證加速度信息的準確性和有效性。當CPU通過GPS接收天線檢測到GPS信息丟失時,CPU通過PCI接口給FPGA配入spi_cmd_val信號(高電平有效),同時通過HPI接口給DSP寫入信息丟失前2 s的GPS信息(包括經緯度、速度和時間),作為定位基點。FPGA檢測到spi_cmd_val信號有效后,立即將中間寄存器單元reg0~reg7中存儲的瞬時加速度送入EMIF接口的0x060~0x067地址單元(32位),同時拉高int_spi_done信號,產生外部中斷(拉低DSP的引腳)通知DSP從EMIF接口讀取加速度信息,并通過后續軟件算法進行信號處理,轉化為移動端經緯度信息。再通過DSP的HPI接口上報給CPU,從而使高層獲取移動端當前GPS信息,即完成了GPS位置信息的模擬。加速度存儲格式如表1所列。其中包括初始和瞬時加速度值,共占用32位EMIF接口10個地址單元。
2.2 主要控制信號說明
?、賡pi_cmd_data:ADIS16003芯片控制字(寄存器),8位,FPGA配入。
?、趕pi_cmd_val:GPS信號缺失時ADIS16003啟動信號,CPU發出,脈沖觸發。
?、踫pi_cmd_val_reg:ADIS16003啟動信號寄存器,及時存儲觸發脈沖,持續一個時鐘后清0。
④spi_data_i:ADIS16003串行輸出信號,包括雙軸軸向加速度,每個spi_clk時鐘下降沿輸出一位,16個時鐘周期完成一次運算。
?、輘pi_cs:SPI片選信號,低電平有效。
⑥spi_clk:SPI通信時鐘信號,由主時鐘分頻得到,此處進行32分頻。
⑦spi_data_o:ADIS16003控制字輸入信號,8位串行輸出,spi_clk時鐘上升沿動作。
?、鄐pi_rdata:ADIS16003運算結果,12位,每個spi_clk下降沿輸出一位,采取移位拼接方式(向左移),在第16個時鐘下降沿輸出一次完整的采集結果(每次采集至少需要16個時鐘周期)。
⑨spi_state:SPI工作狀態信號,0為IDLE,1為BUSY,2為DONE,采用有限狀態機進行設計。
?、鈙pi_wr_cnt_o、spi_wr_cnt_i:十六進制計數器,時鐘上升沿和下降沿分別計數。
當今社會,GPS衛星定位系統早已廣泛應用于人們的社會生活中,如交通工具導航、個人定位服務等。但在某些情況下,由于物體遮蔽、散射等原因,我們無法實時接收到GPS衛星信號(比如列車進入隧道)。所以有必要研究在GPS信息缺失的情況下,如何通過一定的算法產生模擬GPS信息,從而實現全天候的無縫位置感知。這在某些對位置信息敏感的場合中就顯得非常急迫和重要。
1 慣導芯片簡介
ADIS16003是ADI公司的一款低成本、低功耗,具有SPI接口的雙軸加速度計,屬MEMS傳感器件。它可以測量動態和靜態加速度并以數字量輸出,測量范圍最小可以達到±1.7 g,同時還集成了溫度傳感器,可用于慣性導航、振動檢測和穩定性測試等場合中。
SPI是串行外圍設備接口,是Motorola公司首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的。目前已廣泛應用在EEPROM、Flash、實時時鐘、A/D轉換器以及數字信號處理器和數字信號解碼器之間,是一種高速的全雙工同步通信總線。SPI通信只需要4根線,分別為SDI(數據輸入)、SDO(數據輸出)、SCK(時鐘)和CS(片選)。通信是通過數據交換的方式完成的。SPI接口使用串行通信協議,由SCK提供時鐘脈沖,SDI、SDO則基于此脈沖完成數據傳輸。數據輸出通過SDO線,數據在時鐘上升沿或下降沿時改變,在緊接著的下降沿或上升沿被讀取,完成一位數據傳輸。數據輸入也使用同樣的原理。
ADIS16003的SPI接口通信時序及控制寄存器配置如圖1、圖2所示。其中,常用控制字為00000100和00001100,分別表示以正常模式采集X軸和Y軸雙軸軸向加速度。
2 系統工作原理及主要控制信號說明
本文研究了如何在移動端GPS信息缺失的情況下,使用SPI協議建立FPGA與慣導芯片ADIS16003之間的通信,從而獲取移動物體當前的加速度。DSP將通過EMIF接口讀取此加速度,并根據之前有效的GPS信息推算出當前的概略GPS信息(經緯度、速度和時間等)。
2.1 工作原理
FPGA驅動ADIS16003慣導芯片工作包括初始啟動和正常啟動兩種模式。
?。?)初始啟動模式
FPGA上電復位時自啟動ADIS16003芯片,配置ADIS16003控制寄存器,并讀取芯片測得的雙軸軸向加速度初始值,存儲到EMIF接口的0x068~0x069地址空間供DSP讀取,用作誤差校正之用(此模式工作在移動端處于靜止狀態時,且此模式僅由DSP讀取1次)。
(2)正常啟動模式
初始啟動模式完成之后,FPGA將自動轉入數據采集階段,源源不斷地通過SPI接口從ADIS16003芯片中采集雙軸軸向瞬時加速度,以備DSP使用。加速度每秒采集8次,每隔0.125 s采集一次。每秒都將得到8組結果,分別為ax0ay0、ax1ay1、ay2ay2、ax3ay3、ax4ay4、ax5ay5、ax6ay6和ax7ay7,存儲于FGPA內部的8個中間寄存器單元reg0~reg7(非EMIF接口,每個輸出結果為12×2位,存儲于32位的寄存器組中),并隨著時間的推移不斷地刷新。這么做的目的是確保這8個寄存器組中始終保存有最近1 s的移動物體加速度信息,以保證加速度信息的準確性和有效性。當CPU通過GPS接收天線檢測到GPS信息丟失時,CPU通過PCI接口給FPGA配入spi_cmd_val信號(高電平有效),同時通過HPI接口給DSP寫入信息丟失前2 s的GPS信息(包括經緯度、速度和時間),作為定位基點。FPGA檢測到spi_cmd_val信號有效后,立即將中間寄存器單元reg0~reg7中存儲的瞬時加速度送入EMIF接口的0x060~0x067地址單元(32位),同時拉高int_spi_done信號,產生外部中斷(拉低DSP的引腳)通知DSP從EMIF接口讀取加速度信息,并通過后續軟件算法進行信號處理,轉化為移動端經緯度信息。再通過DSP的HPI接口上報給CPU,從而使高層獲取移動端當前GPS信息,即完成了GPS位置信息的模擬。加速度存儲格式如表1所列。其中包括初始和瞬時加速度值,共占用32位EMIF接口10個地址單元。
2.2 主要控制信號說明
?、賡pi_cmd_data:ADIS16003芯片控制字(寄存器),8位,FPGA配入。
?、趕pi_cmd_val:GPS信號缺失時ADIS16003啟動信號,CPU發出,脈沖觸發。
?、踫pi_cmd_val_reg:ADIS16003啟動信號寄存器,及時存儲觸發脈沖,持續一個時鐘后清0。
④spi_data_i:ADIS16003串行輸出信號,包括雙軸軸向加速度,每個spi_clk時鐘下降沿輸出一位,16個時鐘周期完成一次運算。
?、輘pi_cs:SPI片選信號,低電平有效。
⑥spi_clk:SPI通信時鐘信號,由主時鐘分頻得到,此處進行32分頻。
⑦spi_data_o:ADIS16003控制字輸入信號,8位串行輸出,spi_clk時鐘上升沿動作。
?、鄐pi_rdata:ADIS16003運算結果,12位,每個spi_clk下降沿輸出一位,采取移位拼接方式(向左移),在第16個時鐘下降沿輸出一次完整的采集結果(每次采集至少需要16個時鐘周期)。
⑨spi_state:SPI工作狀態信號,0為IDLE,1為BUSY,2為DONE,采用有限狀態機進行設計。
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