一種分布式pos用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種分布式POS用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以應(yīng)用于分布式POS (Posit1n and Orientat1n System,位置姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng))，也可以應(yīng)用于慣性導(dǎo)航、慣性/GPS(Global Posit1n System,全球定位系統(tǒng))組合導(dǎo)航系統(tǒng)的大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
【背景技術(shù)】
[0002]高精度POS是航空遙感系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它為各類航空遙感載荷提供高頻、高精度的時(shí)間、空間基準(zhǔn)信息，通過運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償提高載荷成像精度和效率。隨著航空遙感對(duì)高分辨率成像需求的不斷提高，新型高效多任務(wù)成像載荷聯(lián)合成像技術(shù)、長(zhǎng)基線微波載荷干涉和陣列技術(shù)逐漸成為提高成像效率和分辨率的有效手段。傳統(tǒng)的單一 POS無法滿足不同安置點(diǎn)多載荷的高精度運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量的需求，而且因體積、重量、成本等因素的限制，在各觀測(cè)載荷處均安裝一個(gè)高精度POS也不現(xiàn)實(shí)。因此，迫切需要建立起高精度分布式POS系統(tǒng)。分布式POS系統(tǒng)由高精度主POS和多個(gè)子IMU組成。主POS解算獲得主天線的高精度位置、速度、姿態(tài)等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，多個(gè)子IMU利用主POS提供的信息進(jìn)行傳遞對(duì)準(zhǔn)，最終實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)運(yùn)動(dòng)信息的精確測(cè)量，并在成像中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償。為進(jìn)一步提高載荷成像精度，需要對(duì)分布式POS系統(tǒng)工作過程的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，分布式POS用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為后處理提供數(shù)據(jù)來源，是整個(gè)分布式POS系統(tǒng)提高精度的關(guān)鍵。
[0003]分布式POS用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是分布式POS系統(tǒng)后處理的核心部件，負(fù)責(zé)接收和存儲(chǔ)主MU、多個(gè)子MU、GPS和分布式POS系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理電路輸出的原始信息，并完成將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)的任務(wù)。分布式POS系統(tǒng)與傳統(tǒng)單一 IMU的POS系統(tǒng)相比較，首先其系統(tǒng)構(gòu)成更加復(fù)雜，內(nèi)部集成的多個(gè)傳感器同時(shí)工作，其數(shù)據(jù)更新頻率要求200Hz?400Hz，IMU原始數(shù)數(shù)據(jù)量高于216B/HZ，實(shí)時(shí)導(dǎo)航結(jié)果數(shù)據(jù)量高于84B/Hz，GPS數(shù)據(jù)量為116B/Hz，則整個(gè)系統(tǒng)每秒的數(shù)據(jù)量將高于83.2KB，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐率將高達(dá)IMbps?2Mbps。傳統(tǒng)的POS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在同一時(shí)刻只能接收一路POS數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)的速度最高為115200bps，工作效率低，要實(shí)現(xiàn)分布式POS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，必須使用多個(gè)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)同時(shí)工作，因此會(huì)導(dǎo)致分布式POS系統(tǒng)的體積和功耗急劇增加，而作為航空遙感系統(tǒng)關(guān)鍵部件的分布式POS系統(tǒng)，其體積和功耗必須嚴(yán)格控制，所以傳統(tǒng)的POS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)無法滿足分布式POS系統(tǒng)的實(shí)際需求。此外，傳統(tǒng)的POS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)多采用單一的通信接口和POS系統(tǒng)進(jìn)行通信，只要POS系統(tǒng)的通信接口類型根據(jù)任務(wù)載荷進(jìn)行調(diào)整，POS存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和POS系統(tǒng)之間就必須外接通信協(xié)議轉(zhuǎn)換的電路模塊，使得POS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的靈活性大為減弱，同時(shí)也增加了整個(gè)POS系統(tǒng)的成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種分布式POS用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，為分布式POS系統(tǒng)后處理提供可靠數(shù)據(jù)來源。
[0005]本發(fā)明技術(shù)解決方案是:本發(fā)明的一種分布式POS用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)輸入模塊、系統(tǒng)中控模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊四部分；其中數(shù)據(jù)輸入模塊與系統(tǒng)中控模塊相連，數(shù)據(jù)輸入模塊用于并行采集IMU的陀螺和加速度計(jì)脈沖數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)導(dǎo)航數(shù)據(jù)；系統(tǒng)中控模塊中的STM32芯片通過自身的USART外設(shè)接收來自數(shù)據(jù)輸入模塊的數(shù)據(jù)，利用STM32芯片內(nèi)部DMA通道將數(shù)據(jù)放入暫時(shí)緩沖區(qū)，STM32芯片工作的過程中，時(shí)鐘電路為其提供高精度的時(shí)間基準(zhǔn)，系統(tǒng)中控模塊中的電源模塊和電源轉(zhuǎn)換模塊為整個(gè)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供高穩(wěn)定度電源，用戶的應(yīng)用程序通過配置接口加載到STM32芯片中，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊受系統(tǒng)中控模塊的控制，按照FAT32文件系統(tǒng)的規(guī)則將數(shù)據(jù)輸入模塊的數(shù)據(jù)以文本文件的形式存儲(chǔ)在SD卡存儲(chǔ)器中，系統(tǒng)授時(shí)模塊精確記錄數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的時(shí)間；數(shù)據(jù)輸出模塊用于用戶提取SD卡存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，SD卡存儲(chǔ)器與AU6438芯片直接連接，AU6438芯片內(nèi)部集成了 FAT32文件系統(tǒng)，將SD卡存儲(chǔ)器中的文本文件讀取到硬件緩沖區(qū)，通過USB接口將文件傳送至上位機(jī)。
[0006]數(shù)據(jù)輸入模塊中的IMU陀螺和加速度計(jì)脈沖數(shù)據(jù)通過專用集成電路將RS422電平轉(zhuǎn)換成FPGA芯片能識(shí)別的TTL電平；GPS數(shù)據(jù)通過RS232電平轉(zhuǎn)換芯片與FPGA芯片完成通信；實(shí)時(shí)導(dǎo)航數(shù)據(jù)通過CAN接口芯片與FPGA芯片相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。FPGA芯片作為存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件緩存，能同時(shí)采集IMU的陀螺和加速度計(jì)脈沖數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)導(dǎo)航數(shù)據(jù)，將多路并行的數(shù)據(jù)串行化處理，通過高速USART發(fā)送給STM32芯片。
[0007]系統(tǒng)中控模塊由電源模塊、STM32芯片、電源轉(zhuǎn)換模塊、配置接口(11)、系統(tǒng)授時(shí)模塊和時(shí)鐘電路組成；電源模塊將航空標(biāo)準(zhǔn)電源電壓28V轉(zhuǎn)換至系統(tǒng)所需的穩(wěn)定5V電壓，再通過電源轉(zhuǎn)換模塊將5V電壓轉(zhuǎn)換為STM32芯片工作的3.3V低噪聲電壓；STM32芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心控制器，完成數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)緩沖、文件建立、數(shù)據(jù)寫入和存儲(chǔ)；系統(tǒng)授時(shí)模塊為STM32芯片建立的文本文件提供準(zhǔn)確的修改時(shí)間；配置接口用于用戶將應(yīng)用程序加載到STM32芯片中；時(shí)鐘電路為系統(tǒng)中控模塊提供精準(zhǔn)的8MHz時(shí)基信號(hào)；系統(tǒng)中控模塊通過自身的USART接口，能實(shí)時(shí)向監(jiān)控計(jì)算機(jī)報(bào)告整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)，方便用戶對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行在線故障診斷。
[0008]數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用高速大容量SD卡存儲(chǔ)器作為存儲(chǔ)介質(zhì)，通過高速SPI接口和STM32芯片進(jìn)行通信，將STM32芯片緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)以文本文件形式存儲(chǔ)在SD卡存儲(chǔ)器中。
[0009]數(shù)據(jù)輸出模塊的核心是AU6438芯片，AU6438芯片內(nèi)部集成了 FAT32文件系統(tǒng)，用戶可以通過AU6438芯片外部拓展的USB接口，將SD卡存儲(chǔ)器中的文本文件拷貝到工作的上位機(jī)硬盤中。
[0010]本發(fā)明的原理是:
[0011]FPGA芯片通過RS422接口、RS232接口和CAN接口電路以200Hz速率并行采集IMU的陀螺和加速度計(jì)脈沖數(shù)據(jù)、GPS原始數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)導(dǎo)航數(shù)據(jù)分別；并將采集完的數(shù)據(jù)通過高速串口發(fā)送給系統(tǒng)中控模塊。STM32芯片通過自身的USART外設(shè)接收來自數(shù)據(jù)輸入模塊的數(shù)據(jù)，利用STM32芯片內(nèi)部DMA通道將數(shù)據(jù)放入暫時(shí)緩沖區(qū)，時(shí)鐘電路為STM32芯片提供高精度的時(shí)間基準(zhǔn)，電源模塊和電源轉(zhuǎn)換模塊為整個(gè)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供高穩(wěn)定度電源，用戶的應(yīng)用程序通過配置接口加載到STM32芯片中，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊受系統(tǒng)中控模塊的控制，利用速度為24Mbps的高速SPI接口，按照FAT32文件系統(tǒng)的規(guī)則將數(shù)據(jù)輸入模塊的數(shù)據(jù)以文本文件的形式存儲(chǔ)在SD卡存儲(chǔ)器中，系統(tǒng)授時(shí)模塊精確記錄數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的時(shí)間；數(shù)據(jù)輸出模塊用于用戶提取SD卡存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，SD卡存儲(chǔ)器與AU6438芯片直接連接，AU6438芯片內(nèi)部集成了 FAT32文件系統(tǒng)，將SD卡存儲(chǔ)器中的文本文件讀取到硬件緩沖區(qū)，通過USB接口將文件傳送至上位機(jī)。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0013](I)本發(fā)明采用FPGA+ARM微處理器+USB讀卡器AU6438架構(gòu)。FPGA實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)并行采集，將數(shù)據(jù)緩存后串行化處理，提高了系統(tǒng)的集成度和運(yùn)行速度；ARM微處理器STM32通過DMA硬件緩沖方式接收數(shù)據(jù)，能進(jìn)一步提升系統(tǒng)采集大容量數(shù)據(jù)的能力，不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)完全不丟失的可靠接收，而且能減小核心控制器STM32的內(nèi)部資源占用率；USB讀卡器AU6438避免了用戶拷貝數(shù)據(jù)過程中插拔SD卡，提高了工作效率。
[0014](2)本發(fā)明中將RS422接口、RS232接口、CAN總線接口通過FPGA集成為一體，只需要一個(gè)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)電路主板即可完成分布式POS系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)的采集，減小了整個(gè)分布式POS系統(tǒng)的體積和功耗，實(shí)現(xiàn)了 IMU陀螺和加速度計(jì)脈沖數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的并行采集和輸出，實(shí)現(xiàn)了和監(jiān)控計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)通信，方便用戶對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行在線故障診斷。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的分布式POS用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成框圖；
[0016]圖2為本發(fā)明的數(shù)據(jù)輸入接口電路圖；
[0017]圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)中控模塊核心電路圖；
[0018]圖4為本發(fā)明的工作流程圖；
[0019]圖5為本發(fā)明的數(shù)據(jù)輸出模塊電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]本發(fā)明技術(shù)解決方案的具體實(shí)施架構(gòu)如圖1所示，一種分布式POS用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)輸入模塊(I)、系統(tǒng)中控模塊(2)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊(3)和數(shù)據(jù)輸出模塊(4)四部分；其中數(shù)據(jù)輸入模塊⑴利用高性能FPGA充當(dāng)硬件緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)輸入模塊⑴通過FPGA并行采集IMU的陀螺和加速度計(jì)脈沖數(shù)據(jù)(5)、GPS數(shù)據(jù)(6)與實(shí)時(shí)導(dǎo)航數(shù)據(jù)(7)，將采集到的多路POS數(shù)據(jù)重新打包，通過高速USART與系統(tǒng)中控模塊(2)相連；系統(tǒng)中控模塊
(2)中的STM32芯片(9)通過自身的USART外設(shè)接收來自數(shù)據(jù)輸入模塊⑴的數(shù)據(jù)，利用STM32芯片(9)內(nèi)部DMA通道將數(shù)據(jù)放入暫時(shí)緩沖區(qū)，STM32芯片(9)工作的過程中，時(shí)鐘電路(13)為STM32芯片(9)提供高精度的時(shí)間基準(zhǔn)，系統(tǒng)中控模塊(2)中的電源模塊(8)通過電源轉(zhuǎn)換模塊(10)為整個(gè)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供高穩(wěn)定度電源，用戶的應(yīng)用程序通過配置接口(11)加載到STM32芯片(9)中，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊(3)受系統(tǒng)中控模塊(2)的控制，按照FAT32文件系統(tǒng)的規(guī)則將數(shù)據(jù)輸入模塊(I)的IMU的陀螺和加速度計(jì)脈沖數(shù)據(jù)(5)、GPS數(shù)據(jù)(6)與實(shí)時(shí)導(dǎo)航數(shù)據(jù)(7)以文本文件的形式存儲(chǔ)在SD卡存儲(chǔ)器(14)中，系統(tǒng)授時(shí)模塊(12)精確記錄數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的時(shí)間；數(shù)據(jù)輸出模塊(4)用于用戶提取SD卡存儲(chǔ)器(14)中的數(shù)據(jù)，SD卡存儲(chǔ)器(14)與USB讀卡器AU6438芯片(15)直接連接，AU6438芯片(15)內(nèi)部集成了 FAT32文件系統(tǒng)，將SD卡存儲(chǔ)器(14)中的文本文件讀取到硬件緩沖區(qū)，通過USB接口(16)將文件傳送至上位機(jī)。
[0021]數(shù)據(jù)輸入模塊⑴的接口電路圖如圖2所示。數(shù)據(jù)輸入模塊⑴采用XILINX公司生產(chǎn)的XC3S400系列FPGA作為數(shù)據(jù)輸入模塊的核心控制器，集成了 RS422接口、RS232通用異步串口和CAN總線數(shù)據(jù)傳輸接口，三種接口在FPGA芯片的控制下同時(shí)工作，F(xiàn)PGA芯片內(nèi)部為這三種數(shù)據(jù)接口開辟了三個(gè)不同的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。其中RS422接口用于接收IMU的陀螺和加速度計(jì)原始數(shù)據(jù)，它以MAX3490芯片作為物理層接口，能將RS422形式的差分電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為FPGA能識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)TTL電平