基于USB接口的激光陀螺惯导系统数据通讯

摘要：为了提高激光陀螺捷联惯性导航系统在强振动条件下的精度，需要将惯性仪表在振动环境下的输出数据高速采集并保存下来进行离线仿真。通过CY7C68013A芯片在导航计算机外围扩展高速的USB接口，实时采集惯导系统输出的各项性能指标数据，并将此类数据保存至外围PC机，实现了导航计算机和PC机之间的高速通讯。通过设立圆形缓冲区，解决了通讯过程中的丢帧问题。经过近千小时测试，所建采集数据装置可准确采集导航计算机数据并实时存储，结果表明该装置的可靠性与稳定性，为分析惯导系统测量精度奠定了基础。
关键词：惯性导航；激光陀螺；通讯；USB接口

激光陀螺作为捷联惯性导航系统的核心器件，其性能远优越于传统的机电陀螺，已广泛应用于海、陆、空、天等军用和民用导航领域。
在激光陀螺捷联惯导系统中，惯性仪表(激光陀螺和加速度计)直接“捆绑”在载体上，所承受的力学环境要比平台恶劣。在某些军用环境所要求承受的强烈振动条件下，由于惯性组合体在力和运动的激励下产生多项误差，系统姿态和位置误差增长较快。研究表明，这些误差项有一部分具有较好的补偿性，可以通过误差补偿减小或消除部分误差，从而提高系统在强振动下的精度。这就需要将惯性仪表在振动环境下的输出数据高速采集并保存下来，然后在PC机上进行离线仿真以确定和分离各项误差系数。由于数据量庞大，无法直接存储在导航计算机中：例如以8 kHz对惯性仪表输出进行采样，每秒的数据量约为200 K字节。而原有捷联惯导系统采用RS422接口与外部通讯，其最大波特率为1 M。不足以将高速数据传送给PC机保存下来。因此，有必要在导航计算机外围扩展更高速的USB接口，以实现导航计算机和PC机之间的高速通讯。USB接口(Universal Serial Bus)是一种通用的高速串行通讯接口。USB2．0理论传输速度可达到480 Mb／s，可以很好地解决数据在惯导系统与PC机之间的高速互传问题。

1 激光陀螺捷联惯导系统的USB接口设计
1．1 USB接口芯片CY7C68013A
CY7C68013A是CYPRESS公司最新推出的USB2．O控制器，它既负责USB事务处理也兼具微处理器的控制功能，还可作为USB外部芯片的主控芯片，其小巧的体积及较高的性价比使得该芯片在各种USB设备上得到了广泛的应用。该芯片包括带16KB片上RAM的高速8051单片机、4KBFIFO存储器以及通用可编程接口(GPIF)、串行接口引擎(SIE)和USB2.0收发器，6条可编程控制输出线，9条地址输出线和6条通用的准备输入线。数据线宽度可设为8位也可设为16位，方便与不同的CPU接口。图1是CY7C68013A的内部结构功能框图。

由于CY7C68013A硬件逻辑并不复杂，加上可以充分利用FPGA的灵活性，在导航计算机外围扩展CY7C68013A的线路板设计工作相对简单，将CY7C68013A的总线和控制信号与DSP导航计算机的FPGA相应引脚正确相连即可。
USB接口的软件设计要复杂一些，主要是编写CY7C68013A自身的固件程序。