激光陀螺作為捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)的核心器件，其性能遠優(yōu)越于傳統(tǒng)的機電陀螺，已廣泛應用于海、陸、空、天等軍用和民用導航領域。
在激光陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)中，慣性儀表(激光陀螺和加速度計)直接“捆綁”在載體上，所承受的力學環(huán)境要比平臺惡劣。在某些軍用環(huán)境所要求承受的強烈振動條件下，由于慣性組合體在力和運動的激勵下產生多項誤差，系統(tǒng)姿態(tài)和位置誤差增長較快。研究表明，這些誤差項有一部分具有較好的補償性，可以通過誤差補償減小或消除部分誤差，從而提高系統(tǒng)在強振動下的精度。這就需要將慣性儀表在振動環(huán)境下的輸出數據高速采集并保存下來，然后在PC機上進行離線仿真以確定和分離各項誤差系數。由于數據量龐大，無法直接存儲在導航計算機中：例如以8 kHz對慣性儀表輸出進行采樣，每秒的數據量約為200 K字節(jié)。而原有捷聯(lián)慣導系統(tǒng)采用RS422接口與外部通訊，其最大波特率為1 M。不足以將高速數據傳送給PC機保存下來。因此，有必要在導航計算機外圍擴展更高速的USB接口，以實現導航計算機和PC機之間的高速通訊。USB接口(Universal Serial Bus)是一種通用的高速串行通訊接口。USB2．0理論傳輸速度可達到480 Mb／s，可以很好地解決數據在慣導系統(tǒng)與PC機之間的高速互傳問題。
1 激光陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的USB接口設計
1．1 USB接口芯片CY7C68013A
CY7C68013A是CYPRESS公司最新推出的USB2．O控制器，它既負責USB事務處理也兼具微處理器的控制功能，還可作為USB外部芯片的主控芯片，其小巧的體積及較高的性價比使得該芯片在各種USB設備上得到了廣泛的應用。該芯片包括帶16KB片上RAM的高速8051單片機、4KBFIFO存儲器以及通用可編程接口(GPIF)、串行接口引擎(SIE)和USB2.0收發(fā)器，6條可編程控制輸出線，9條地址輸出線和6條通用的準備輸入線。數據線寬度可設為8位也可設為16位，方便與不同的CPU接口。圖1是CY7C68013A的內部結構功能框圖。
由于CY7C68013A硬件邏輯并不復雜，加上可以充分利用FPGA的靈活性，在導航計算機外圍擴展CY7C68013A的線路板設計工作相對簡單，將CY7C68013A的總線和控制信號與DSP導航計算機的FPGA相應引腳正確相連即可。
USB接口的軟件設計要復雜一些，主要是編寫CY7C68013A自身的固件程序。
1．2 CY7C68013A的固件程序設計
CY7C68013A的固件程序主要用于USB芯片的端點配置、頻率設置、數據寬度、可編程標志定義、中斷定義及特定功能的8051程序編寫等。固件程序主要完成如圖2所示的任務流程。
在上述固件程序當中，CY7C68013A的初始化子程序TD_Init()的開發(fā)按照以下步驟進行：按圖3中的規(guī)則配置端點；使CY7C68013A工作在SLAVE FIFO模式，選擇BULK傳輸，使用3個端點EP2、EP4和EP6，全部采用雙緩沖方式；3個端點FIFO標志分別定義為：FLGA為EP2的4字節(jié)接收可編程標志，FIGB為EP6的滿標志，FLGC為EP2的空標志；數據寬度設為16位。
1.3 丟幀問題及解決措施
在導航計算機與PC機間通過USB接口進行了雙向高速通訊測試。測試方法如下：PC機向導航計算機傳輸一個數據包，導航計算機接收后回傳，PC機接收后進行正確性校驗、傳輸、回傳和校驗過程循環(huán)進行。測試中發(fā)現偶爾有丟幀現象出現。嘗試改變上位機中數據采集與后臺實時寫內存線程的優(yōu)先級和改變CY7C68013A的端點大小及緩沖級別(如三緩沖、四緩沖)來解決這個問題，但是丟幀現象依然存在。
經過較長時間的分析與驗證，找到了問題所在：PC機中運行的Windows操作系統(tǒng)是一個多任務的操作系統(tǒng)，同時運行著多個進程，系統(tǒng)在給每個進程分配時間片時也是有一定的優(yōu)先級的，優(yōu)先級高的進程占用時間片較多，如果PC機在執(zhí)行某些其他進程時占用時間超過了一定的限度，就可能導致該讀出的數據沒有及時讀出，而下一幀數據又已送到緩沖區(qū)，覆蓋前一幀數據，從而造成丟幀。
解決丟幀的辦法是在DSP的內存中設置一個圓形緩沖區(qū)，如果發(fā)現IN型端點的FIFO已滿(說明PC機未及時讀走FIFO中數據)，則將本幀數據存入圓形緩沖區(qū)里，直到FIFO完全為空。
圓形緩沖區(qū)的結構如圖4所示。
在圖4中，sptr為寫入數據指針，dptr為發(fā)送數據指針。整個圓形緩沖區(qū)的大小設置為256 K字(32位)。若按8 K的數據存入速率，可以保存8 s數據。在PC機不能及時讀取IN端點FIFO數據的情況下，這個圓形緩沖區(qū)可以起到很好的緩沖作用。
在程序執(zhí)行的初始時刻，設置指針sptr等于dptr。當IN端點FIFO滿時，DSP將數據按指針sptr存入圓形緩沖區(qū)，sptr隨之遞增，而dptr保持不變。當IN端點FIFO空時，DSP仍將數據按指針sptr存入圓形緩沖區(qū)，sptr隨之加1。但此時將從dptr指針處發(fā)送兩幀數據到FIFO中，這種dptr追趕sptr的機制，將保證圓形緩沖區(qū)不出現溢出現象：即不會出現sptr超過dptr一圈以上的情況。
1．4 通訊系統(tǒng)軟件整體設計
遵循軟件設計中盡量較少使用中斷的原則，這里只使用1個4 K中斷，其他三路信號都采用查詢方式，中斷分配如圖5所示。
圖6為主程序流程。USB從管道0接收PC機發(fā)來的命令，命令寫入EP2端點中，此時在INT7管腳上產生USB中斷。DSP通過查詢INT7中斷，將EP2中的命令及數據讀出，對命令進行解析，并執(zhí)行相應的指令工作。非周期指令執(zhí)行完后，將接收數據寫入EP4端點，PC機從管道1中將數據取走；周期指令執(zhí)行完后，將接收數據寫入EP6端點，PC機從管道2中將數據取走。
圖7中的4 K中斷流程主要完成陀螺和加速度計脈沖及溫度數據的采集工作，并向EP6端點寫入。
2 通訊效果測試
將激光陀螺慣性導航系統(tǒng)固定于振動模擬臺，按照軍用環(huán)境的要求進行了近千小時的振動實驗。實驗過程中導航計算機高速采集慣性儀表在振動環(huán)境下的輸出數據，并通過USB接口傳輸給PC機并保存下來。
當圓形緩沖區(qū)的兩個指針各自達到最大位置后將從0地址重新開始，長時間雙向通訊的測試結果表明：將采用上述方法后的輸出數據與串口輸出數據進行比對，發(fā)現無丟幀現象產生。在導航計算機上進行離線仿真以確定和分離各項誤差系數，通過實時誤差補償減小了部分誤差，從而提高了系統(tǒng)在強振動下的精度。當然，PC機在與導航計算機的數據傳輸過程中，建議盡量減少運行的任務數量，特別是占用CPU時間較多的任務，如殺毒、音頻視頻解碼等。
3 結論
本文將基于CY7C68013A的USB接口技術應用于慣導系統(tǒng)數據通信，創(chuàng)新性的設立圓形緩沖區(qū)解決了USB接口數據傳輸過程中的丟幀問題。近千小時測試結果表明：上述USB接口通訊裝置可實現導航計算機和PC機間高速實時數據傳輸且期間無丟幀現象發(fā)生，表明該裝置具有良好的穩(wěn)定性與可靠性。