基于復(fù)雜可編程邏輯器件的組合導(dǎo)航系統(tǒng)時序差測量模塊的制作方法
【專利摘要】基于復(fù)雜可編程邏輯器件的組合導(dǎo)航系統(tǒng)時序差測量模塊，其特征在于，包括測量起止控制與循環(huán)復(fù)位電路、GPS與INS時序偏差測量電路和GPS與COMPASS時序偏差測量電路；針對多傳感器組合導(dǎo)航定位的數(shù)據(jù)融合提出，能實現(xiàn)各傳感器已獨立設(shè)計的GPS/INS/COMPASS組合導(dǎo)航系統(tǒng)GPS和INS、COMPASS導(dǎo)航數(shù)據(jù)時間間隔的精確測量，降低對導(dǎo)航計算機的資源占用，增強測量的高效性和可靠性。通過選用復(fù)雜可編程邏輯器件進行電路設(shè)計，延遲小、精度高，并可針對測量對象的數(shù)量、特性快速設(shè)計和修改電路，靈活性強，便捷性高。
【專利說明】基于復(fù)雜可編程邏輯器件的組合導(dǎo)航系統(tǒng)時序差測量模塊
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及導(dǎo)航系統(tǒng)時序差測量模塊，尤其是基于復(fù)雜可編程邏輯器件組合的導(dǎo)航系統(tǒng)時序差測量模塊。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來全球定位系統(tǒng)，即GPS(Global Positioning System)在車輛導(dǎo)航領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但是在城市中高樓、隧道等交通環(huán)境下，GPS信號時常會被遮擋而導(dǎo)致定位失效。通常利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，即INS(Inertial Navigation System)、電子羅盤(COMPASS)等傳感器對GPS導(dǎo)航進行補償以提高定位精度。GPS/INS/COMPASS多傳感器組合導(dǎo)航的一個關(guān)鍵問題是實現(xiàn)導(dǎo)航信息的融合，而為了保證融合的有效性，必須確保用于融合的導(dǎo)航數(shù)據(jù)在融合時間點上是同步的。只有解決了不同導(dǎo)航子系統(tǒng)之間的實時數(shù)據(jù)同步問題，組合導(dǎo)航的設(shè)計才有實際意義。
[0003]目前針對GPS/INS導(dǎo)航數(shù)據(jù)的同步，有軟件實現(xiàn)、硬件實現(xiàn)和軟硬件實現(xiàn)法。軟件實現(xiàn)方法共同優(yōu)點是不需要專門的硬件，節(jié)約成本，如將時間同步誤差作為卡爾曼濾波器的狀態(tài)變量對其進行濾波估計，但這種方法不僅增加了濾波計算量，而且精度有限。硬件實現(xiàn)方法主要針對以數(shù)字信號處理器，即DSP (Digital Signal Processor)為核心組成的微型慣性測量組合，即MIMU (Miniature Inertial Measurement Unit)和GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，將MIMU數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、GPS接收機輸出數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和DSP導(dǎo)航算法處理子系統(tǒng)三部分在硬件上進行一體化設(shè)計，在內(nèi)部采集電路上實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，該方法精度較高，但需對INS電路進行修改或設(shè)計專門的INS，對已經(jīng)獨立設(shè)計封裝的GPS、INS則不適用。
[0004]針對上述兩種實現(xiàn)方式的不足，軟硬件結(jié)合的方法得到研究，其基本原理是測出傳感器之間的時序偏差，再利用同步外推算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步，該方法硬件要求不高而且能達到較高的精度。軟硬件結(jié)合實現(xiàn)的關(guān)鍵前提是測出多傳感器間的時序偏差。時序偏差的測量，目前有利用導(dǎo)航計算機進行中斷控制以測量，具體為將GPS、INS信號進行放大隔離后引至導(dǎo)航計算機中斷控制器，采用中斷方式進行GPS、INS信號的采集及實現(xiàn)精確計時，測量過程中導(dǎo)航計算機對這三個中斷的管理必須非常小心，且該方法在同步過程中需占用較多的中央處理器(Central Processing Unit, CPU)時間，不太適合目前主要以DSP為核心的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。當(dāng)傳感器數(shù)量增加時，如GPS/INS/COMPASS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，采用中斷控制測量的難度將更大。
[0005]通過上述分析可知，組合導(dǎo)航系統(tǒng)時序同步采用的軟件和硬件方法存在各自的不足，利用軟硬件結(jié)合的方法可以改善軟件測量的精度問題和硬件測量的復(fù)雜度問題，但測出傳感器間時序偏差的方法存在著操作難度大、應(yīng)用范圍小等不足。設(shè)計一種電路簡單、測量精確度高且占用計算機資源少的測量模塊，成為了重要的研究方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供基于復(fù)雜可編程邏輯器件組合的導(dǎo)航系統(tǒng)時序差測量模塊，解決了現(xiàn)有技術(shù)中硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作難度大等問題。
[0007]技術(shù)方案基于復(fù)雜可編程邏輯器件組合的導(dǎo)航系統(tǒng)時序差測量模塊，其特征在于，包括測量起止控制與循環(huán)復(fù)位電路、GPS與INS時序偏差測量電路和GPS與COMPASS時序偏差測量電路；
[0008]所述起止控制與循環(huán)復(fù)位電路包括14位同步計數(shù)器、第一異步清零邊沿D觸發(fā)器、一組與門和非門；
[0009]起止控制與循環(huán)復(fù)位電路設(shè)有三個輸入端和一個輸出端，三個輸入端分別是PPS信號輸入端、電源電壓VCC和時鐘信號輸入端；該起止控制與循環(huán)復(fù)位電路的輸出端為第一異步清零邊沿D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸出端Q ；
[0010]在起止控制與循環(huán)復(fù)位電路中，PPS信號輸入端接入第一異步清零邊沿D觸發(fā)器的時鐘脈沖CP端；電源電壓VCC和時鐘信號輸入端接入14位同步計數(shù)器；14位同步計數(shù)器的高位數(shù)據(jù)輸出端通過與門后，一路接入第一異步清零邊沿D觸發(fā)器的清零端CLR，另一路再通過非門后接入第一異步清零邊沿D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端D ；
[0011]所述GPS與INS時序偏差測量電路包括7位同步計數(shù)器、7位鎖存器、第二異步清零邊沿D觸發(fā)器和一組非門；
[0012]GPS與INS時序偏差測量電路設(shè)有四個輸入端和七個輸出端；四個輸入端分別是電源電壓VCC、時鐘信號輸入、INS信號輸入端和起止控制與循環(huán)復(fù)位電路的輸出端；該GPS與INS時序偏差測量電路的輸出端為7位鎖存器的七個數(shù)據(jù)輸出端；
[0013]在GPS與INS時序偏差測量電路中，電源電壓VCC和時鐘信號輸入接入7位同步計數(shù)器；INS信號輸入端接入第二異步清零邊沿D觸發(fā)器的時鐘脈沖CP端；起止控制與循環(huán)復(fù)位電路的輸出端在GPS與INS時序偏差測量電路中分成三路，一路接入7位同步計數(shù)器、一路通過非門接入第二異步清零邊沿D觸發(fā)器的清零端CLR、另一路接入第二異步清零邊沿D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端D ;
[0014]7位同步計數(shù)器的七個輸出端接入7位鎖存器；第二異步清零邊沿D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸出端Q通過非門接入7位鎖存器；
[0015]所述GPS與COMPASS時序偏差測量電路包括:10位同步計數(shù)器、10位鎖存器、第三
異步清零邊沿D觸發(fā)器和一組非門；
[0016]GPS與COMPASS時序偏差測量電路設(shè)有四個輸入端和十個輸出端；四個輸入端分別是電源電壓VCC、時鐘信號輸入、COMPASS信號輸入端和起止控制與循環(huán)復(fù)位電路的輸出端；該GPS與COMPASS時序偏差測量電路的輸出端為10位鎖存器的十個輸出端；
[0017]電源電壓VCC和時鐘信號輸入接入10位同步計數(shù)器；C0MPASS信號輸入端接入第三異步清零邊沿D觸發(fā)器的時鐘脈沖CP端；起止控制與循環(huán)復(fù)位電路的輸出端在GPS與COMPASS時序偏差測量電路中分成三路，一路接入10位同步計數(shù)器、一路通過非門接入第三異步清零邊沿D觸發(fā)器的清零端CLR、另一路接入第三異步清零邊沿D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端D ；
[0018]10位同步計數(shù)器的十個輸出端接入10位鎖存器；第三異步清零邊沿D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸出端Q通過非門接入10位鎖存器。
[0019]14位同步計數(shù)器包括一組T觸發(fā)器和一組二輸入與門；其輸出端中，12個高位數(shù)據(jù)輸出端分別接入兩個六輸入與門，兩個六輸入與門的輸出端接入一個二輸入與門。7位同步計數(shù)器包括一組T觸發(fā)器和一組二輸入與門。10位同步計數(shù)器包括一組T觸發(fā)器和一組二輸入與門。選用復(fù)雜可編程邏輯器件電路設(shè)計方便，且精度高。
[0020]有益效果:
[0021]1、針對多傳感器組合導(dǎo)航定位的數(shù)據(jù)融合提出，能實現(xiàn)各傳感器已獨立設(shè)計的GPS/INS/COMPASS組合導(dǎo)航系統(tǒng)GPS和INS、COMPASS導(dǎo)航數(shù)據(jù)時間間隔的精確測量，降低對導(dǎo)航計算機的資源占用，增強測量的高效性和可靠性。
[0022]2、選用復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)進行電路設(shè)計，運行速度快、延遲小、精度高、掉電后編程信息不會丟失，電路設(shè)計方便，可針對測量對象的數(shù)量、特性進行修改，靈活性強，便捷性高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為設(shè)計流程圖
[0024]圖2為總體電路結(jié)構(gòu)圖
[0025]圖3為7位同步計數(shù)器設(shè)計電路圖
[0026]圖4為10位同步計數(shù)器設(shè)計電路圖
[0027]圖5為14位同步計數(shù)器測量單元設(shè)計電路圖
[0028]圖6為7位鎖存器設(shè)計電路圖
[0029]圖7為10位鎖存器設(shè)計電路圖
[0030]圖8為仿真結(jié)果局部圖
[0031]圖9為仿真結(jié)果局部圖
[0032]圖10為仿真結(jié)果局部圖
【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進一步的解釋。
[0034]GPS/INS/COMPASS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)各自使用不同的時鐘頻率標(biāo)準(zhǔn)，若要將它們的數(shù)據(jù)在同一時刻配準(zhǔn)，必須先將其統(tǒng)一到一個公共的時間參考系中。已知GPS白勺秒脈沖(IPulse Per Second,即 1PPS)和世界協(xié)調(diào)時(Coordinated Universal Time,即UTC)秒點對齊，并且GPS接收機嚴(yán)格的在每一個IPPS脈沖的邊沿時刻進行一次偽距、GPS標(biāo)準(zhǔn)授時和定位等測量。因而，可將GPS的IPPS信號作為組合導(dǎo)航系統(tǒng)的時間同步基準(zhǔn)。測出IPPS信號與INS、COMPASS之間時間間隔即測出GPS、INS、COMPASS導(dǎo)航數(shù)據(jù)時間間隔，進而實現(xiàn)系統(tǒng)時序的同步。
[0035]為了測出IPPS信號與INS、C0MPASS時間間隔，考慮到INS、C0MPASS均不含同步脈沖，因此只能依據(jù)IPPS、INS、COMPASS信號特征進行分析。IPPS信號為周期為I秒且包含上升沿的數(shù)字信號，INS、COMPASS經(jīng)串口輸出的數(shù)據(jù)同樣為數(shù)字信號，包含上升沿。因此，利用信號上升沿觸發(fā)計數(shù)器開啟計數(shù)功能，當(dāng)IPPS信號上升沿到來時計數(shù)開始，在INS、COMPASS導(dǎo)航數(shù)據(jù)到來時分別將此時計數(shù)器的值鎖存，將計數(shù)值讀取即測出IPPS與INS、COMPASS之間時間間隔。
[0036]由于處理的數(shù)據(jù)均為數(shù)字信號且對速度要求較高而邏輯資源量不是很大，結(jié)合復(fù)雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device, CPLD)的優(yōu)點，如門資源豐富、使用方便、速度快延遲小、斷電時編程信息不丟失等，本發(fā)明采用CPLD設(shè)計數(shù)字電路以實現(xiàn)目標(biāo)功能。
[0037]設(shè)計流程圖如圖1所示，整體電路如圖2所示下面給出具體設(shè)計步驟:
[0038]整體電路連接如下:基于復(fù)雜可編程邏輯器件組合的導(dǎo)航系統(tǒng)時序差測量模塊，其特征在于，包括測量起止控制與循環(huán)復(fù)位電路1、GPS與INS時序偏差測量電路2和GPS與COMPASS時序偏差測量電路3 ；
[0039]所述起止控制與循環(huán)復(fù)位電路I包括14位同步計數(shù)器、第一異步清零邊沿D觸發(fā)器41、一組與門和非門；
[0040]起止控制與循環(huán)復(fù)位電路I設(shè)有三個輸入端和一個輸出端，三個輸入端分別是IPPS信號輸入端、電源電壓VCC和時鐘信號輸入端；該起止控制與循環(huán)復(fù)位電路I的輸出端為第一異步清零邊沿D觸發(fā)器41的數(shù)據(jù)輸出端Q ；
[0041 ] 在起止控制與循環(huán)復(fù)位電路I中，IPPS信號輸入端接入第一異步清零邊沿D觸發(fā)器41的時鐘脈沖CP端；電源電壓VCC和時鐘信號輸入端接入14位同步計數(shù)器；14位同步計數(shù)器的高位數(shù)據(jù)輸出端通過與門后，一路接入第一異步清零邊沿D觸發(fā)器41的清零端CLR，另一路再通過非門后接入第一異步清零邊沿D觸發(fā)器41的數(shù)據(jù)輸入端D ;
[0042]14位同步計數(shù)器輸出端中，12個高位數(shù)據(jù)輸出端分別接入第一六輸入與門61和第二六輸入與門62,兩個六輸入與門的輸出端接入二輸入與門21。
[0043]所述GPS與INS時序偏差測量電路2包括7位同步計數(shù)器、7位鎖存器、第二異步清零邊沿D觸發(fā)器42和一組非門；
[0044]GPS與INS時序偏差測量電路2設(shè)有四個輸入端和七個輸出端；四個輸入端分別是電源電壓VCC、時鐘信號輸入、INS信號輸入端和起止控制與循環(huán)復(fù)位電路I的輸出端；該GPS與INS時序偏差測量電路2的輸出端為7位鎖存器的七個數(shù)據(jù)輸出端；
[0045]在GPS與INS時序偏差測量電路2中，電源電壓VCC和時鐘信號輸入接入7位同步計數(shù)器；INS信號輸入端接入第二異步清零邊沿D觸發(fā)器42的時鐘脈沖CP端；起止控制與循環(huán)復(fù)位電路I的輸出端在GPS與INS時序偏差測量電路2中分成三路，一路接入7位同步計數(shù)器、一路通過第二非門12接入第二異步清零邊沿D觸發(fā)器42的清零端CLR、另一路接入第二異步清零邊沿D觸發(fā)器42的數(shù)據(jù)輸入端D ；
[0046]7位同步計數(shù)器的七個輸出端接入7位鎖存器；第二異步清零邊沿D觸發(fā)器42的數(shù)據(jù)輸出端Q通過第三非門13接入7位鎖存器；
[0047]所述GPS與COMPASS時序偏差測量電路3包括:10位同步計數(shù)器、10位鎖存器、第
三異步清零邊沿D觸發(fā)器43和一組非門；
[0048]GPS與COMPASS時序偏差測量電路3設(shè)有四個輸入端和十個輸出端；四個輸入端分別是電源電壓VCC、時鐘信號輸入、COMPASS信號輸入端和起止控制與循環(huán)復(fù)位電路I的輸出端；該GPS與COMPASS時序偏差測量電路3的輸出端為10位鎖存器的十個輸出端；
[0049]電源電壓VCC和時鐘信號輸入接入10位同步計數(shù)器；C0MPASS信號輸入端接入第三異步清零邊沿D觸發(fā)器43的時鐘脈沖CP端；起止控制與循環(huán)復(fù)位電路I的輸出端在GPS與COMPASS時序偏差測量電路3中分成三路，一路接入10位同步計數(shù)器、一路通過第四非門14接入第三異步清零邊沿D觸發(fā)器43的清零端CLR、另一路接入第三異步清零邊沿D觸發(fā)器43的數(shù)據(jù)輸入端D ；[0050]10位同步計數(shù)器的十個輸出端接入10位鎖存器；第三異步清零邊沿D觸發(fā)器43的數(shù)據(jù)輸出端Q通過第五非門15接入10位鎖存器。
[0051]14位同步計數(shù)器包括一組T觸發(fā)器和一組二輸入與門。
[0052]7位同步計數(shù)器包括一組T觸發(fā)器和一組二輸入與門。
[0053]10位同步計數(shù)器包括一組T觸發(fā)器和一組二輸入與門。
[0054]具體設(shè)計過程如下:
[0055]I) IPPS和INS、COMPASS數(shù)據(jù)時間間隔測量
[0056]1.1)計數(shù)器位數(shù)及類型確定
[0057]測量IPPS和INS、COMPASS數(shù)據(jù)時間間隔需用到計數(shù)器，通過測出計數(shù)次數(shù)，乘以輸入時鐘周期即得測量的時間。在CPLD中設(shè)計計數(shù)電路，為了保證計數(shù)精度輸入時鐘信號周期應(yīng)盡量短，同時為了避免電路過于復(fù)雜，計數(shù)器位數(shù)不宜過高。
[0058]由于IPPS周期為I秒，而在車輛導(dǎo)航領(lǐng)域一般采用的INS周期為10毫秒，COMPASS周期為100毫秒。若選擇輸入CPLD的時鐘信號周期為0.2毫秒，測量IPPS與INS信號時間間隔，計數(shù)次數(shù)最多為50次，對應(yīng)的計數(shù)器位數(shù)應(yīng)大于等于6 (6位計數(shù)器最大計數(shù)值為64);測量IPPS信號與COMPASS時間間隔，此時需要計數(shù)的次數(shù)最多為500次，對應(yīng)的計數(shù)器應(yīng)設(shè)計大于等于9位(9位計數(shù)器最大計數(shù)值為512)?？紤]到0.2毫秒已能滿足精度要求，因而取輸入時鐘信號周期為0.2毫秒，對應(yīng)的計數(shù)器位數(shù)分別選擇7位和10位可滿足要求。若對精度有更高要求，則只需依據(jù)需要增加計數(shù)器位數(shù)。
[0059]計數(shù)器依據(jù)脈沖輸入方式的不同，可分為同步計數(shù)器和異步計數(shù)器。同步計數(shù)器是將計數(shù)脈沖引到所有觸發(fā)器的時鐘脈沖輸入端，使各個觸發(fā)器的狀態(tài)變化與計數(shù)脈沖同步，其較異步計數(shù)器計數(shù)的速度更快，因而本發(fā)明中選用同步計數(shù)器。
[0060]1.2)同步計數(shù)器設(shè)計
[0061]為了構(gòu)成同步計數(shù)器，考慮T觸發(fā)器在EN (使能信號輸入)、SET (置位信號輸入)、RESET (復(fù)位信號輸入)三個輸入端信號都為高電平時，當(dāng)時鐘脈沖輸入時，若T觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端T為低電平，則數(shù)據(jù)輸出端Q保持原來值；若數(shù)據(jù)輸入端T為高電平，則數(shù)據(jù)輸出端Q發(fā)生翻轉(zhuǎn)。因此，利用T觸發(fā)器和與門電路可設(shè)計同步計數(shù)器。
[0062]1.2.1)7位同步計數(shù)器設(shè)計
[0063]利用T觸發(fā)器和與門電路構(gòu)成7位同步計數(shù)器。首先將第一個T觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端T與CPLD的電源電壓端相連，并將第一個T觸發(fā)器數(shù)據(jù)輸出端Q與第二個T觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端T相連，接著分別從第一個T觸發(fā)器和第二個T觸發(fā)器的輸出端引出接線連至二輸入與門的兩個輸入端，與門的輸出則接至第三個T觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端T。然后從第三個T觸發(fā)器數(shù)據(jù)輸入端T和數(shù)據(jù)輸出端Q引出接線分別連至二輸入與門的兩個輸入端，二輸入與門的輸出端與第四個T觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端T相連。之后連線同樣是從T觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端T與數(shù)據(jù)輸出端Q引出接線經(jīng)過二輸入與門，將二輸入與門與下一個T觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端T相連，直到第六個T觸發(fā)器數(shù)據(jù)輸入端T和數(shù)據(jù)輸出端Q引出接線分別連至二輸入與門兩個輸入端，然后將二輸入與門輸出端與第七個T觸發(fā)器數(shù)據(jù)輸入端T相連。
[0064]分別從每個T觸發(fā)器的時鐘信號輸入端引出接線并接至CPLD時鐘信號輸入端CP，同樣從每個T觸發(fā)器的復(fù)位信號輸入端RESET引出接線并連至同一條線上，同時使T觸發(fā)器的使能端EN和置位端SET保持高電平。至此，7位同步計數(shù)器設(shè)計完成，如圖3所示，共需要七個T觸發(fā)器和五個二輸入與門，通過控制T觸發(fā)器的時鐘信號端和RESET端可開啟計數(shù)以及對計數(shù)器進行復(fù)位。
[0065]1.2.2) 10位同步計數(shù)器設(shè)計
[0066]利用T觸發(fā)器和與門電路構(gòu)成10位同步計數(shù)器，設(shè)計步驟與7位同步計數(shù)器的設(shè)計相似。首先將第一個T觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端T與CPLD的電源電壓端相連，并將第一個T觸發(fā)器數(shù)據(jù)輸出端Q與第二個T觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端T相連，接著分別從第一個T觸發(fā)器和第二個T觸發(fā)器的輸出端引出接線連至二輸入與門的兩個輸入端，與門的輸出則接至第三個T觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端T。然后從第三個T觸發(fā)器數(shù)據(jù)輸入端T和數(shù)據(jù)輸出端Q引出接線分別連至二輸入與門的兩個輸入端，二輸入與門的輸出端與第四個T觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端T相連。之后連線同樣是從T觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端T與數(shù)據(jù)輸出端Q引出接線經(jīng)過二輸入與門，將二輸入與門與下一個T觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端T相連，直到第九個T觸發(fā)器數(shù)據(jù)輸入端T和數(shù)據(jù)輸出端Q引出接線分別連至二輸入與門兩個輸入端，然后將二輸入與門輸出端與第十個T觸發(fā)器輸入端T相連。
[0067]分別從每個T觸發(fā)器的時鐘信號輸入端引出接線并接至CPLD時鐘信號輸入端CP，同樣從每個T觸發(fā)器的復(fù)位信號輸入端RESET引出接線并連至同一條線上，同時使T觸發(fā)器的使能端EN和置位端SET保持高電平。至此，10位同步計數(shù)器設(shè)計完成，如圖4所示，共需要十個T觸發(fā)器和八個二輸入與門，通過控制T觸發(fā)器的時鐘信號端和復(fù)位信號輸入端RESET可開啟計數(shù)以及對計數(shù)器進行復(fù)位。
[0068]2) IPPS觸發(fā)測量及計數(shù)復(fù)位
[0069]測量GPS和INS、COMPASS導(dǎo)航數(shù)據(jù)時間間隔的計數(shù)器設(shè)計完成后，還需保證是利用IPPS信號觸發(fā)計數(shù)。同時由于INS、C0MPASS導(dǎo)航數(shù)據(jù)更新率存在漂移，為了提高測量的精確度同時考慮設(shè)計的簡便性，現(xiàn)設(shè)定每隔3到6秒就進行一次測量。
[0070]上述7位和10位同步計數(shù)器主要由T觸發(fā)器和與門構(gòu)成，為了實現(xiàn)由IPPS信號觸發(fā)計數(shù)并能進行復(fù)位，現(xiàn)從T觸發(fā)器的工作特性進行分析。由于T觸發(fā)器在其EN (使能信號輸入)、SET (設(shè)定信號輸入)端為高電平時，當(dāng)RESET (復(fù)位信號輸入)端為高電平，T觸發(fā)器時鐘信號輸入端CLK輸入信號上升沿到來時依據(jù)觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端T電平高低可實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)和保持；但當(dāng)RESET (復(fù)位信號輸入)端為低電平，則無論時鐘信號、數(shù)據(jù)輸入端T電平如何，T觸發(fā)器始終置O。因而通過控制7位和10位同步計數(shù)器中T觸發(fā)器的RESET(復(fù)位信號輸入)端，可實現(xiàn)開啟計數(shù)與計數(shù)器的復(fù)位。
[0071]2.1)同步計數(shù)器的開啟
[0072]為了實現(xiàn)利用IPPS信號控制T觸發(fā)器的RESET端，考慮到異步清零邊沿D觸發(fā)器(以下簡稱為D觸發(fā)器)，當(dāng)異步復(fù)位端CLR為“ I”時，輸出為“O”。當(dāng)異步復(fù)位端為“O”時，輸入D觸發(fā)器時鐘信號CLK端為上升沿時，D觸發(fā)器數(shù)據(jù)輸入端D的數(shù)據(jù)并行送至輸出端；而當(dāng)異步復(fù)位端為“O”時，輸入觸發(fā)器時鐘信號CLK端的不是信號上升沿時，輸出端保持原有值。因此，將IPPS信號輸入D觸發(fā)器時鐘信號CLK端，D觸發(fā)器的異步復(fù)位端CLR置為低電平時，IPPS信號上升沿到來時，數(shù)據(jù)輸入端D的數(shù)據(jù)送至輸出端，即若此時D觸發(fā)器數(shù)據(jù)輸入端D為高電平，則D觸發(fā)器輸出端為高電平，將此高電平送至用于測量GPS和INS、COMPASS時間間隔的7位和10位同步計數(shù)器中T觸發(fā)器的RESET端，則開啟計數(shù)。之后IPPS信號上升沿以外信號輸入D觸發(fā)器，D觸發(fā)器輸出端保持高電平，則兩個同步計數(shù)器保持計數(shù)狀態(tài)。實現(xiàn)了利用IPPS信號觸發(fā)計數(shù)的目標(biāo)。
[0073]2.2)同步計數(shù)器的復(fù)位
[0074]由于用于測量GPS和INS、COMPASS時間間隔的兩個同步計數(shù)器是通過IPPS信號和異步清零邊沿D觸發(fā)器控制的，為了有效的修正INS、C0MPASS數(shù)據(jù)更新率的漂移，在幾秒內(nèi)就要進行一次測量，即幾秒內(nèi)就要進行一次復(fù)位。在無法改變IPPS信號的基礎(chǔ)下，對D觸發(fā)器輸入輸出狀態(tài)進行分析?？紤]到D觸發(fā)器異步復(fù)位端CLR為“I”時，輸出為0 ;而異步復(fù)位端CLR為“0”時，才能在IPPS信號作用下開啟計數(shù)。因此，通過控制D觸發(fā)器異步復(fù)位端CLR可對兩個同步計數(shù)器進行復(fù)位。
[0075]為了實現(xiàn)對異步清零邊沿D觸發(fā)器CLR端的控制，此處同樣利用同步計數(shù)器，結(jié)合計數(shù)器在計數(shù)值滿后重新開始計數(shù)的特性，通過設(shè)定閾值，當(dāng)計數(shù)值小于等于此閾值時輸出低電平至上述D觸發(fā)器的異步復(fù)位端CLR ;而當(dāng)計數(shù)值大于此閾值時則輸出高電平至D觸發(fā)器的異步復(fù)位端CLR。同時將計數(shù)器輸出端經(jīng)過非門接至D觸發(fā)器數(shù)據(jù)輸入端D，以保證異步復(fù)位端CLR為低電平時，IPPS信號上升沿到來時由輸入端送至輸出端的是高電平以觸發(fā)計數(shù)，CLR為高電平時對7位和10位計數(shù)器進行復(fù)位。對于此處的同步計數(shù)器其輸入時鐘信號周期同樣為0.2毫秒?，F(xiàn)設(shè)定每隔3秒左右進行一次測量，則計數(shù)器位數(shù)需14位(14位計數(shù)器最大計數(shù)值為16384)，實際最大計時為16384X0.2=3276.8毫秒，如圖5所示。由于只需要短暫的對電路進行復(fù)位，因而可將閾值設(shè)置大些，此處設(shè)置為3276毫秒，對應(yīng)的計數(shù)值為16380。當(dāng)計數(shù)值小于等于16380時，計數(shù)器輸出低電平至D觸發(fā)器異步復(fù)位端CLR ;計數(shù)值大于16380時，將高電平送至D觸發(fā)器異步復(fù)位端CLR，對7位和10位計數(shù)器進行復(fù)位。這樣實現(xiàn)了每隔幾秒對計數(shù)電路的復(fù)位，復(fù)位后可重新對GPS和INS、C0MPASS導(dǎo)航數(shù)據(jù)時間間隔進行測量。
[0076]3)測量結(jié)果的讀取
[0077]每次測量在IPPS信號上升沿到來后開始，當(dāng)INS、COMPASS導(dǎo)航數(shù)據(jù)到來時結(jié)束，此時需要讀取測量值，并在復(fù)位后準(zhǔn)備下一次的測量。對于已經(jīng)設(shè)計好的7位和10位同步計數(shù)器，不能使其在INS、COMPASS信號到來時保持這一刻的計數(shù)值不變，因而采用鎖存器將此時的計數(shù)值進行鎖存供外部讀取及后續(xù)處理。
[0078]因為計數(shù)器輸出分別為7位和10位，若采用8位鎖存器(如74373)，則會帶來資源的浪費，此處分別利用7個、10個D鎖存器，包含數(shù)據(jù)輸入端D、使能端EN和數(shù)據(jù)輸出端Q。當(dāng)使能端EN為高電平時，輸入端D的數(shù)據(jù)直接傳至輸出端Q ;當(dāng)使能端EN為低電平時，輸出端Q保持前一時刻的值。因此，將7位和10位計數(shù)器輸出端與鎖存器數(shù)據(jù)輸入端相連，先使鎖存器使能端EN為高電平，則計數(shù)器數(shù)據(jù)直接送至鎖存器，然后在INS、COMPASS導(dǎo)航數(shù)據(jù)到來時使鎖存器使能端EN為低電平，則此刻的計數(shù)值將被鎖存，而當(dāng)數(shù)據(jù)讀取后，需重新將鎖存器使能端EN置為高電平以備新的測量，即通過控制鎖存器使能端EN來對數(shù)據(jù)進行鎖存及復(fù)位。由于INS、C0MPASS導(dǎo)航數(shù)據(jù)為包含上升沿的數(shù)字信號，結(jié)合之前利用IPPS信號和異步清零邊沿D觸發(fā)器控制7位、10位同步計數(shù)器的開啟和復(fù)位，此處利用INS、COMPASS導(dǎo)航數(shù)據(jù)和異步清零邊沿D觸發(fā)器(以下簡稱D觸發(fā)器)控制鎖存器使能端EN電平。
[0079]由于D觸發(fā)器異步復(fù)位端為高電平時輸出端始終為低電平，為了在此時對鎖存器進行復(fù)位，即此時輸入使能端EN為高電平，則將D觸發(fā)器輸出端經(jīng)過非門與鎖存器使能端EN相連。為了保證鎖存電路能與兩個同步計數(shù)電路同時復(fù)位，同時由于T觸發(fā)器復(fù)位電平為低，D觸發(fā)器復(fù)位電平為高，因而將兩個同步計數(shù)器中T觸發(fā)器復(fù)位端RESET經(jīng)過非門連至此處D觸發(fā)器的異步復(fù)位端CLR。
[0080]當(dāng)D觸發(fā)器異步復(fù)位端CLR為低電平時，D觸發(fā)器正常工作，因而將INS、COMPASS導(dǎo)航數(shù)據(jù)輸入D觸發(fā)器時鐘信號CLK端，INS、COMPASS上升沿到來時，D觸發(fā)器數(shù)據(jù)輸入端D的數(shù)據(jù)送至輸出端；INS、C0MPASS其他部分輸入時，輸出端保持原來狀態(tài)。為保證此時EN端為低電平，則D觸發(fā)器數(shù)據(jù)輸入端D需為高電平，又因為開始計數(shù)后T觸發(fā)器RESET端為高電平，則將T觸發(fā)器RESET端與D觸發(fā)器數(shù)據(jù)輸入端D相連。
[0081]經(jīng)過以上設(shè)計可實現(xiàn)當(dāng)1PPS、COMPASS數(shù)據(jù)到來時，鎖存器將7位和10位同步計數(shù)器的輸出數(shù)據(jù)進行鎖存，如圖6、圖7所示，供外部讀取。同時可對7位、10位同步計數(shù)器及鎖存器進行同步復(fù)位以反復(fù)測量提高測試結(jié)果的精確度。
[0082]具體實施例2
[0083]為檢驗本發(fā)明提出的GPS/INS/COMPASS多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)時序同步方法的可行性，在QuartusII9.0中設(shè)計電路并進行仿真。
[0084]首先依據(jù)設(shè)計思路繪制電路原理圖，編譯無誤后生成波形仿真文件vwf。仿真前需對CPLD時鐘信號端CP、CPLD復(fù)位信號端RESET、GPS秒脈沖IPPS信號端、陀螺儀INS信號輸入端及電子羅盤COMPASS信號輸入端進行設(shè)置。本發(fā)明中CP設(shè)置為0.2毫秒，RESET端恒置為高電平，GPS的IPPS信號設(shè)置為周期為I秒，占空比為1%。下面通過設(shè)置不同周期、占空比和輸出延遲的INS、COMPASS信號進行波形仿真以對本發(fā)明進行檢驗。
[0085](I) COMPASS周期為100毫秒，占空比為1%，輸出延遲為O毫秒；INS周期為10毫秒，占空比為2%，輸出延遲為O毫秒。
[0086]仿真結(jié)果(如圖8所示)顯示IPPS信號的上升沿在990.0毫秒到來，COMPASS信號的上升沿在999.0毫秒到來，INS信號的上升沿在999.8毫秒到來，則GPS信號與COMPASS、INS信號時間間隔分別為9.0和9.8毫秒。而此時10位和7位計數(shù)器的計數(shù)值分別為0000101101、0110001，轉(zhuǎn)換成10進制并乘以時鐘周期0.2毫秒后分別為45X0.2=9.0毫秒，49X0.2=9.8毫秒(X表示乘號)。仿真結(jié)果表明，在這種情況下，當(dāng)分別輸入1PPS、COMPASS、INS信號后能夠較準(zhǔn)確的得出信號間的時間間隔。
[0087](2)C0MPASS周期為150毫秒，占空比為1%，輸出延遲為25毫秒；INS周期為20毫秒，占空比為1%，輸出延遲為4毫秒。
[0088]仿真結(jié)果(如圖9所示)顯示IPPS信號的上升沿在990.0毫秒到來，COMPASS信號的上升沿在1073.4毫秒到來，INS信號的上升沿在1003.8毫秒到來，則GPS信號與COMPASS、INS信號時間間隔分別為83.4和13.8毫秒。而此時10位和7位計數(shù)器的計數(shù)值分別為0110100001、1000101，轉(zhuǎn)換成10進制并乘以時鐘周期0.2毫秒后分別為417X0.2=83.4毫秒，69X0.2=13.8毫秒(X表示乘號)。仿真結(jié)果表明，在這種情況下，當(dāng)分別輸入1PPS、COMPASS、INS信號后同樣能夠較準(zhǔn)確的得出信號間的時間間隔。
[0089](3) COMPASS周期為200毫秒，占空比為1%，輸出延遲為7毫秒；INS周期為25毫秒，占空比為1%，輸出延遲為18毫秒。
[0090]仿真結(jié)果(如圖10所示)顯示IPPS信號的上升沿在990.0毫秒到來，COMPASS信號的上升沿在1005.0毫秒到來，INS信號的上升沿在992.8毫秒到來，則GPS信號與COMPASS、INS信號時間間隔分別為15.0和2.8毫秒。而此時10位和7位計數(shù)器的計數(shù)值分別為0001001011、0001110，轉(zhuǎn)換成10進制并乘以時鐘周期0.2毫秒后分別為75X0.2=15.0毫秒，14X0.2=2.8毫秒(X表示乘號)。仿真結(jié)果表明，在這種情況下，當(dāng)分別輸入1PPS、COMPASS、INS信號后能夠較準(zhǔn)確的得出信號間的時間間隔。
[0091]上述波形仿真均能得到較為精確的結(jié)果。同時由仿真結(jié)果看出，當(dāng)一次測量結(jié)束后測量結(jié)果被鎖存，且鎖存時間小于3秒，之后輸出端置為低電平等待下一次測量，表明設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)對于數(shù)據(jù)的反復(fù)測量且效果較好。
[0092]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.基于復(fù)雜可編程邏輯器件組合的導(dǎo)航系統(tǒng)時序差測量模塊，其特征在于，包括測量起止控制與循環(huán)復(fù)位電路(1)、GPS與INS時序偏差測量電路(2)和GPS與COMPASS時序偏差測量電路(3); 所述起止控制與循環(huán)復(fù)位電路(I)包括14位同步計數(shù)器、第一異步清零邊沿D觸發(fā)器(41)、一組與門和非門； 起止控制與循環(huán)復(fù)位電路(I)設(shè)有三個輸入端和一個輸出端，三個輸入端分別是IPPS信號輸入端、電源電壓VCC和時鐘信號輸入端；該起止控制與循環(huán)復(fù)位電路(I)的輸出端為第一異步清零邊沿D觸發(fā)器(41)的數(shù)據(jù)輸出端Q ； 在起止控制與循環(huán)復(fù)位電路(I)中，IPPS信號輸入端接入第一異步清零邊沿D觸發(fā)器(41)的時鐘脈沖CP端；電源電壓VCC和時鐘信號輸入端接入14位同步計數(shù)器；14位同步計數(shù)器的高位數(shù)據(jù)輸出端通過與門后，一路接入第一異步清零邊沿D觸發(fā)器(41)的清零端CLR，另一路再通過非門后接入第一異步清零邊沿D觸發(fā)器(41)的數(shù)據(jù)輸入端D ; 所述GPS與INS時序偏差測量電路(2)包括7位同步計數(shù)器、7位鎖存器、第二異步清零邊沿D觸發(fā)器(42)和一組非門； GPS與INS時序偏差測量電路(2)設(shè)有四個輸入端和七個輸出端；四個輸入端分別是電源電壓VCC、時鐘信號輸入、INS信號輸入端和起止控制與循環(huán)復(fù)位電路(I)的輸出端；該GPS與INS時序偏差測量電路(2)的輸出端為7位鎖存器的七個數(shù)據(jù)輸出端； 在GPS與INS時序偏差測量電路(2)中，電源電壓VCC和時鐘信號輸入接入7位同步計數(shù)器；INS信號輸入端接入第二異步清零邊沿D觸發(fā)器(42)的時鐘脈沖CP端；起止控制與循環(huán)復(fù)位電路(I)的輸出端在GPS與INS時序偏差測量電路(2)中分成三路，一路接入7位同步計數(shù)器、一路通過非門接入第二異`步清零邊沿D觸發(fā)器(42)的清零端CLR、另一路接入第二異步清零邊沿D觸發(fā)器(42)的數(shù)據(jù)輸入端D ; 7位同步計數(shù)器的七個輸出端接入7位鎖存器；第二異步清零邊沿D觸發(fā)器(42)的數(shù)據(jù)輸出端Q通過非門接入7位鎖存器； 所述GPS與COMPASS時序偏差測量電路(3)包括:10位同步計數(shù)器、10位鎖存器、第三異步清零邊沿D觸發(fā)器(43)和一組非門； GPS與COMPASS時序偏差測量電路(3)設(shè)有四個輸入端和十個輸出端；四個輸入端分別是電源電壓VCC、時鐘信號輸入、COMPASS信號輸入端和起止控制與循環(huán)復(fù)位電路(I)的輸出端；該GPS與COMPASS時序偏差測量電路(3)的輸出端為10位鎖存器的十個輸出端； 電源電壓VCC和時鐘信號輸入接入10位同步計數(shù)器；C0MPASS信號輸入端接入第三異步清零邊沿D觸發(fā)器(43)的時鐘脈沖CP端；起止控制與循環(huán)復(fù)位電路(I)的輸出端在GPS與COMPASS時序偏差測量電路(3)中分成三路，一路接入10位同步計數(shù)器、一路通過非門接入第三異步清零邊沿D觸發(fā)器(43)的清零端CLR、另一路接入第三異步清零邊沿D觸發(fā)器(43)的數(shù)據(jù)輸入端D ; 10位同步計數(shù)器的十個輸出端接入10位鎖存器；第三異步清零邊沿D觸發(fā)器(43)的數(shù)據(jù)輸出端Q通過非門接入10位鎖存器。
2.如權(quán)利要求1所述的基于復(fù)雜可編程邏輯器件組合的導(dǎo)航系統(tǒng)時序差測量模塊，其特征在于，14位同步計數(shù)器包括一組T觸發(fā)器和一組二輸入與門。
3.如權(quán)利要求1所述的基于復(fù)雜可編程邏輯器件組合的導(dǎo)航系統(tǒng)時序差測量模塊，其特征在于，7位同步計數(shù)器包括一組T觸發(fā)器和一組二輸入與門。
4.如權(quán)利要求1所述的基于復(fù)雜可編程邏輯器件組合的導(dǎo)航系統(tǒng)時序差測量模塊，其特征在于，10位同步計數(shù)器包括一組T觸發(fā)器和一組二輸入與門。
5.如權(quán)利要求1所述的基于復(fù)雜可編程邏輯器件組合的導(dǎo)航系統(tǒng)時序差測量模塊，其特征在于，所述14位同步計數(shù)器輸出端中，12個高位數(shù)據(jù)輸出端接入兩個六輸入與門，兩個六輸入與門的輸出 端接入一個二輸入與門。
【文檔編號】G01S19/37GK103744094SQ201410009325
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月8日
【發(fā)明者】李旭, 張為公, 孫玉輝 申請人:東南大學(xué)