毕业设计 基于fpga的无陀螺捷联惯性导航系统设计.rar

毕业设计 基于FPGA的无陀螺捷联惯性导航系统设计

 摘要

无陀螺捷联导惯性航导航系统（GFSINS）是指舍弃陀螺仪而直接把加速度计安装在载体上，通过对加速度计输出的比力信号进行解算从而得到导航参数的惯性导航系统。捷联惯导系统同平台式惯导系统相比具有可靠性高、寿命长、节省体积空间等优点。无陀螺捷联惯导系统因为舍弃了陀螺仪，与有陀螺的捷联惯导系统相比具有低成本、低功耗、反应速度快、动态范围大等优点。随着深亚微米技术的出现，现场可编程逻辑门阵列（FPGA）得到了迅猛发展，也使得可编程片上系统（SOPC）成为未来嵌入式系统设计技术发展的必然趋势[1]。
本论文根据以九加速度计为配置方案的无陀螺捷联导航计算机的特点和应用要求，提出了基于FPGA的无陀螺捷联惯性导航系统的硬件设计方案。系统主要包括数据采集模块和数据解算模块两部分。数据采集模块由STM32负责控制两片AD7656将9个加速度计输出的模拟信号转换为数字信号。数据解算模块采用Altera公司的FPGA芯片，利用SOPC技术完成FPGA内部硬件逻辑的构建，核心算法由高性能32位Nios II处理器完成，实现了浮点运算。最后完成了原理图和PCB设计，研制了实验样机，为无陀螺捷联惯性导航系统的进一步研究工作奠定了基础。

关键词：GFSINS；导航计算机；FPGA；SOPC；STM32；双口RAM
Abstract
Gyroscope Free Strapdown Inertial Navigation System(GFSINS) is a kind of Inertial Navigation System, accelerometers are derectly fixed in the carrier without using gyroscope. So acceleration is the exclusive in formation source, we can get all the navigation parameters by computing. Compared with The Platformtype Inertial Navigation System The Strapdown Inertial Navigation System is high reliability, longevity, small volume and so on. Compared with Strapdown Inertial Navigation System with gyroscope, GFSINS is low cost, low power, promote reaction, wide dynamic range and so on. With the emergence of submicron technology, FPGA chips have become more and more popular, thus making the system on a programmable chip (SOPC) design the mainstream technique in embedded system design field.
Take the features and application requirements of gyroscope free strapdown inertial navigation system with nine accelerometers into consideration, the thesis put forward a hardware design scheme of gyroscope free strapdown inertial navigation computer based on FPGA. The system includes data acquisition module and data decoding module two parts. In the data acquisition module, two AD7656 chips will change the analog signals from nine accelerometers into digital signals controlled by STM32. In the data decoding module, the internal hardware logic of FPGA is constructed by SOPC technology. The key algorithm is accomplished by high-performance 32-bit processor Nios II, in which realized the floating point arithmetic. Finally, the principle chart and PCB design is finished, making a test model, laying the foundation for the further research work of GFSINS.

Keywords：GFSINS；Navigation computer；FPGA；SOPC；STM32；DPRAM
目录
摘要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 惯性导航系统简介 1
1.1.1 惯性导航系统的分类 1
1.1.2 无陀螺捷联惯导系统 3
1.2 导航计算机发展简介 3
1.3 论文的意义和主要内容 4
第2章 系统总体设计方案 6
2.1 无陀螺捷联惯导系统的工作原理 6
2.2 导航计算机的整体工作流程 7
2.2.1 导航计算机的性能要求 8
2.3 核心器件的选型 8
2.3.1 加速度计选型 8
2.3.2 A/D芯片选型 10
2.3.3 双口RAM IDT 7133 13
2.3.4 微控制器选型 15
2.3.5 FPGA选型 16
2.4 本章小结 17
第3章 数据采集模块 18
3.1 加速度计硬件连接设计 18
3.2 加速度计调理电路 19
3.2.1 减法电路 19
3.2.2 低通滤波电路 20
3.3 AD7656管脚连接设计 21
3.4 基于双口RAM的双CPU通讯电路 24
3.5 采集系统的供电电源设计方案 25
3.5.1 +5V到-5V电压转换电路 26
3.5.2 +5V到-3.3V电压转换电路 27
3.6 集成开发环境介绍 27
3.6.1 Real View MDK简介 27
3.6.2  Vision IDE 28
3.7 本章小结 29
第4章 数据解算模块 31
4.1 相关技术介绍 31
4.1.1 Nios II简介 31
4.1.2 SOPC技术 32
4.1.3 Quartus II简介 34
4.1.4 SOPC Builder简介 36
4.2 FPGA内部逻辑资源的设计过程 37
4.3 Nios II 集成开发环境（IDE） 43
4.4 本章小结 44
第5章 导航计算机系统调试 45
5.1 硬件调试 45
5.2 软件调试 45
5.2.1 数据采集模软件调试 45
5.2.2 数据解算模块软件调试 48
5.3 测试过程中出现的问题及解决的方法 49
5.4 本章小结 50