DSP在车载寻北仪系统中的应用研究
摘要
在人类的生产、生活实践中，地理方位信息必不可少，因此方位指示仪器的研究意义重大。千百年来，人们为研究定位与定向技术进行了不懈的努力。惯性技术及计算机控制技术的出现及其应用为研制自主的、精密的方向指示仪器—找北系统提供了可能。
平台系统做自主式高精度船用导航设备已经越来越广泛的应用于各种舰艇及潜艇中，但由于其寻北原理是基于动机座下的罗经原理，因而时间过长。本文提出一种基于解析的快速寻北方法，其原理是利用陀螺仪敏感地球的自传角速率分量，并由此计算出载体的参考轴向与真北方向的夹角，即偏北角。应用该方法，系统将在系泊状态下1个小时左右的寻北时间缩短到几分钟。车载寻北仪便是应用上述基本原理工作的定向仪表。
本系统运用双轴二位置寻北方案，结合高稳定性精确定位转位机构，并建立了相应的误差分析理论和误差修正方案，使产品寻北精度大大提高。通过计算机进行寻北控制，并实施多种补偿，从而进一步提高寻北精度。
DSP作为一种专门的数字信号处理器，具有高效、高速、高精度等优点，而且本文所用的TMS320C31芯片还具有浮点运算能力，这就为寻北系统中的复杂数学运算奠定了基础，本文以TMS320C31芯片为核心，设计并调试了数据的采集、控制作用输出、信息通讯等硬件电路和相关软件，结果比较良好。
In the life and practice of people, the information of geographical orientation is essential. So it is instructive to do research on the orientational and directional instrument. People have always been making great efforts to explore
the technology of orientation and direction for long time. The occurrence and
application of the inertia and computer control make it possible to devise and
develop the independently and precisely orientational instrument.
Platform system, as independent and highly precise navigation equipment, has been widely used in all kinds of ships and submarines. However, because its north-seeking principle is the compass principle based on movable mount, the time of seeking north is too long . This paper introduces an analytic method of quick north seeker ,whose principle is to use gyro to sense the component value of the angle-rate of the rotation of the earth.. In term of the principle the northern azimuth angle (between the referenced shaft of carrier and actual north angle) can be measured. By means of this method, ships can only spend 3-5 minutes in seeking for the north at the state of berthing. The north-seeking system equipped in chariots is the orientational instrument based on this elementary principle.
This system applies two-shaft and two-position north-seeking scheme, conbines highly stable and accurately directional machine, and builds the corresponding theory of error analysis and method of error modification , which makes the precision of the north seeker improved well. Besides this ,the system utilizes computer to control north-seeking process, and implements lots of compensatory schemes, so the precision of north seeker is increased more .
DSP , as an special digital signal processor, has high operation speed and precision, and the TMS320C31 DSP used in the paper has the capacity of float point operation. All of the characteristics make the operation of complicated mathematics in north-seeking system more easy. Using C31 DSP as core, this paper designed and debugged the hardware and software which consists of data sampling, signal outputting and communication. The result is good.
平台系统做自主式高精度船用导航设备已经越来越广泛的应用于各种舰艇及潜艇中，但由于其寻北原理是基于动机座下的罗经原理，因而时间过长。本文提出一种基于解析的快速寻北方法，其原理是利用陀螺仪敏感地球的自传角速率分量，并由此计算出载体的参考轴向与真北方向的夹角，即偏北角。应用该方法，系统将在系泊状态下1个小时左右的寻北时间缩短到几分钟。车载寻北仪便是应用上述基本原理工作的定向仪表。
本系统运用双轴二位置寻北方案，结合高稳定性精确定位转位机构，并建立了相应的误差分析理论和误差修正方案，使产品寻北精度大大提高。通过计算机进行寻北控制，并实施多种补偿，从而进一步提高寻北精度。
DSP作为一种专门的数字信号处理器，具有高效、高速、高精度等优点，而且本文所用的TMS320C31芯片还具有浮点运算能力，这就为寻北系统中的复杂数学运算奠定了基础，本文以TMS320C31芯片为核心，设计并调试了数据的采集、控制作用输出、信息通讯等硬件电路和相关软件，结果比较良好。
In the life and practice of people, the information of geographical orientation is essential. So it is instructive to do research on the orientational and directional instrument. People have always been making great efforts to explore
the technology of orientation and direction for long time. The occurrence and
application of the inertia and computer control make it possible to devise and
develop the independently and precisely orientational instrument.
Platform system, as independent and highly precise navigation equipment, has been widely used in all kinds of ships and submarines. However, because its north-seeking principle is the compass principle based on movable mount, the time of seeking north is too long . This paper introduces an analytic method of quick north seeker ,whose principle is to use gyro to sense the component value of the angle-rate of the rotation of the earth.. In term of the principle the northern azimuth angle (between the referenced shaft of carrier and actual north angle) can be measured. By means of this method, ships can only spend 3-5 minutes in seeking for the north at the state of berthing. The north-seeking system equipped in chariots is the orientational instrument based on this elementary principle.
This system applies two-shaft and two-position north-seeking scheme, conbines highly stable and accurately directional machine, and builds the corresponding theory of error analysis and method of error modification , which makes the precision of the north seeker improved well. Besides this ,the system utilizes computer to control north-seeking process, and implements lots of compensatory schemes, so the precision of north seeker is increased more .
DSP , as an special digital signal processor, has high operation speed and precision, and the TMS320C31 DSP used in the paper has the capacity of float point operation. All of the characteristics make the operation of complicated mathematics in north-seeking system more easy. Using C31 DSP as core, this paper designed and debugged the hardware and software which consists of data sampling, signal outputting and communication. The result is good.
引文
[1]郭素云，陀螺仪原理及应用．哈尔滨工业大学出版社，1985：53—5l页
[2]谈振藩，周宏宇．导航信息系统转换．国防工业出版社，1992：52—87页
[3]胡寿松．自动控制原理．国防工业出版社，1994：168-230页
[4]黄德鸣．平台罗经．国防工业出版社，1990：1-9页
[5]余祖荫，袁秀红．车载寻北仪及其研究．25mm自行火炮论文集，1992：513—518页
[6]陈家斌，袁信．平台式静电陀螺找北仪方案研究．导航，1990：
[7]卜继军，魏贵玲．二位置陀螺寻北仪静态误差分析．压电与声光，2000：209-312页
[8]魏贵玲，卜继军．寻北仪软件的模块化设计，压电与声光，200l：16l—163页
[9]顾启泰，李本亮．解析式动态寻北仪，清华大学学报(自然科学板)，2000：32-35页
[10]缪玲娟，陆家斌．动调陀螺寻北系统及其误差分析．北京理工大学学报，1997：374-379页
[l1]赵文常．自动控制元件．哈尔滨工程大学出版社，1992
[12]戴梅萼．计算机控制理论及应用．清华大学出版社，1992：127-133页，228-269页
[13]胡汉才．单片机原理及接口技术．清华大学出版社，1996：26l-273页，297-305页
[14]戴梅萼，史嘉权．微型计算机技术及应用．清华大学出版社，1996：127-133页，228-269页
[15]谈振藩，谈封．MATLAB语言程序设计5．2版．哈尔滨工程大学出版社，2000
[16]薛定宇．控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言及应用．清华大学出版社，1996：
[17]楼顺天，于卫．基于MATLAB的系统分析与设计一控制系统．西安电子科技大学出版社，1999
[18]黄天戍，袁隆晖．DSP对外部闪存的操作及动态数据的保存．实践与经验，200l：44-45页
[19]周向阳．刘言冰．DSP和PC机的异步串行通信设计．电测与仪表，2001：44-46页
[20]谢超．杜海峰．PC机和DSP间的几种通信方式．荆门职业技术学院学报，2000：8-10页
[21]乔宗标．串行数据标准的选择与使用．电子产品世界，2000：3l—32页
[22]宋永刚，李茂堂．采用RS—422标准的计算机接口设计．电子与自动化，2000：35-38页
[23]彭京湘．DSP的接口技术．电子产品世界，1999：32-33页
[24]赵希人．随机过程．哈尔滨工程大学出版社，1996
[25]阎石．数字电子技术基础．高等教育出版社，1989
[26]郑君里．信号与系统(上册)．高等教育出版社，1981
[27]王士元．C高级使用程序设计．清华大学出版社，1996：158—164页
[28]高光天．模数转换器应用技术．科学出版社，200l：76-222页
[29]柯南．非常电路板设计Protel 98．中国铁道出版社，1999
[30]张雄伟，DSP芯片的原理与开发应用．电子工业出版社，1997
[31]彭启中，李玉柏．DSP与实时数字信号处理．电子科技大学出版社，1997
[32]TMS320第三代数字信号处理器用户指南．北京闻亭科技发展有限责任公司，2000
[33]李刚．数字信号微处理器的原理及其开发应用．天津大学出版社，2000：8-58页
[34]TMS320C3x User’S GUide.Texas lnstruments
[35]TMS320C3x/C4X Assembly Language Tools.Texas lnstruments
[36]TMS320C3x C Source Debugger.Texas lnstruments.2000
[37]TMS320C3x General-Purpose.Applications,Texas lnstruments,2000
[38]Using a TMS320C30 Serial Port as an Asynchronous RS—232 Port.
TMS320 DSP DESIGNER' S NOTEBOOK APPLICATION BRIEF: SPRA240.Texas Instruments. May 1994
[2]谈振藩，周宏宇．导航信息系统转换．国防工业出版社，1992：52—87页
[3]胡寿松．自动控制原理．国防工业出版社，1994：168-230页
[4]黄德鸣．平台罗经．国防工业出版社，1990：1-9页
[5]余祖荫，袁秀红．车载寻北仪及其研究．25mm自行火炮论文集，1992：513—518页
[6]陈家斌，袁信．平台式静电陀螺找北仪方案研究．导航，1990：
[7]卜继军，魏贵玲．二位置陀螺寻北仪静态误差分析．压电与声光，2000：209-312页
[8]魏贵玲，卜继军．寻北仪软件的模块化设计，压电与声光，200l：16l—163页
[9]顾启泰，李本亮．解析式动态寻北仪，清华大学学报(自然科学板)，2000：32-35页
[10]缪玲娟，陆家斌．动调陀螺寻北系统及其误差分析．北京理工大学学报，1997：374-379页
[l1]赵文常．自动控制元件．哈尔滨工程大学出版社，1992
[12]戴梅萼．计算机控制理论及应用．清华大学出版社，1992：127-133页，228-269页
[13]胡汉才．单片机原理及接口技术．清华大学出版社，1996：26l-273页，297-305页
[14]戴梅萼，史嘉权．微型计算机技术及应用．清华大学出版社，1996：127-133页，228-269页
[15]谈振藩，谈封．MATLAB语言程序设计5．2版．哈尔滨工程大学出版社，2000
[16]薛定宇．控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言及应用．清华大学出版社，1996：
[17]楼顺天，于卫．基于MATLAB的系统分析与设计一控制系统．西安电子科技大学出版社，1999
[18]黄天戍，袁隆晖．DSP对外部闪存的操作及动态数据的保存．实践与经验，200l：44-45页
[19]周向阳．刘言冰．DSP和PC机的异步串行通信设计．电测与仪表，2001：44-46页
[20]谢超．杜海峰．PC机和DSP间的几种通信方式．荆门职业技术学院学报，2000：8-10页
[21]乔宗标．串行数据标准的选择与使用．电子产品世界，2000：3l—32页
[22]宋永刚，李茂堂．采用RS—422标准的计算机接口设计．电子与自动化，2000：35-38页
[23]彭京湘．DSP的接口技术．电子产品世界，1999：32-33页
[24]赵希人．随机过程．哈尔滨工程大学出版社，1996
[25]阎石．数字电子技术基础．高等教育出版社，1989
[26]郑君里．信号与系统(上册)．高等教育出版社，1981
[27]王士元．C高级使用程序设计．清华大学出版社，1996：158—164页
[28]高光天．模数转换器应用技术．科学出版社，200l：76-222页
[29]柯南．非常电路板设计Protel 98．中国铁道出版社，1999
[30]张雄伟，DSP芯片的原理与开发应用．电子工业出版社，1997
[31]彭启中，李玉柏．DSP与实时数字信号处理．电子科技大学出版社，1997
[32]TMS320第三代数字信号处理器用户指南．北京闻亭科技发展有限责任公司，2000
[33]李刚．数字信号微处理器的原理及其开发应用．天津大学出版社，2000：8-58页
[34]TMS320C3x User’S GUide.Texas lnstruments
[35]TMS320C3x/C4X Assembly Language Tools.Texas lnstruments
[36]TMS320C3x C Source Debugger.Texas lnstruments.2000
[37]TMS320C3x General-Purpose.Applications,Texas lnstruments,2000
[38]Using a TMS320C30 Serial Port as an Asynchronous RS—232 Port.
TMS320 DSP DESIGNER' S NOTEBOOK APPLICATION BRIEF: SPRA240.Texas Instruments. May 1994