1、倒互數(shù)。中國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)文章競(jìng)賽拈一基于的卡爾曼濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)仲婷婷，王長(zhǎng)松，周曉敏，齊昕（北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械電子工程系，北京）摘要：采用硬件實(shí)現(xiàn)卡爾曼濾波器，解決了采用軟件方法實(shí)現(xiàn)存在的并行性和速度問(wèn)題。以基于的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為硬件平臺(tái)，根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)思想，采用編程實(shí)現(xiàn)芯片控制模塊，利用的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)卡爾曼濾波器模塊，給出模塊的軟件仿真結(jié)果并完成整個(gè)系統(tǒng)的硬件驗(yàn)證。結(jié)果證明了設(shè)計(jì)的正確性，同時(shí)表明采用使卡爾曼濾波器的硬件實(shí)現(xiàn)更加簡(jiǎn)單，速度更快。關(guān)鍵詞：；卡爾曼濾波器；，鋤，（蛆，鋤，璐哆愴：即魯缸忸聆，鋤腫，帆）響“咖鋤叩】【刮確悟，山嘣印協(xié)“陀、陀?jì)傱a。肌“鋤豳把剛協(xié)伽

2、鷦山明：；啪；璩卡爾曼濾波采用狀態(tài)空間法在時(shí)域內(nèi)設(shè)計(jì)濾波器，是一種最優(yōu)估計(jì)算法，應(yīng)用廣泛?？柭鼮V波器通常由處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)。使用處理器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單靈活，可直接采用語(yǔ)言矩陣運(yùn)算【】，但在要求較高的場(chǎng)合，其采用程序順序執(zhí)行的架構(gòu)不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)的需要。而用實(shí)現(xiàn)卡爾曼濾波器，采用硬件并行算法能很好地解決速度和實(shí)時(shí)性的問(wèn)題，并且具有靈活的可配置特性和優(yōu)良的抗干擾能力】，使得構(gòu)成的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)非常易于修改、測(cè)試和硬件升級(jí)。設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)換成后，采用軟件、對(duì)其進(jìn)行仿真并完成硬件驗(yàn)證。卡爾曼濾波原理卡爾曼濾波是一種線(xiàn)性最小方差估計(jì)算法，它考慮了系統(tǒng)的模型誤差和測(cè)量噪聲的統(tǒng)計(jì)特性【】?？柭鼮V波的一般方程在許多文獻(xiàn)中有詳

3、細(xì)討論，本文直接引用其結(jié)論。設(shè)隨機(jī)線(xiàn)性離散系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：通常，數(shù)字濾波器的附實(shí)現(xiàn)是用或瓢蛾概幾魄蛾觀(guān)測(cè)方程為：弘仇瓢仇等硬件描述語(yǔ)言通過(guò)編寫(xiě)底層代碼實(shí)現(xiàn)。這種式中戤為系統(tǒng)的狀態(tài)向量，弧為系統(tǒng)的觀(guān)測(cè)序列，蛾為系統(tǒng)的過(guò)程噪聲序列，鞏為觀(guān)測(cè)噪聲序列，為系方式效率低、難度大。利用豫公司的開(kāi)發(fā)工具設(shè)計(jì)卡爾曼濾波器，比基于硬件描統(tǒng)控制輸入，蛾川為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，仇為觀(guān)測(cè)矩陣。饑、口為零均值白噪聲且互不相關(guān)。先不考慮有規(guī)律信號(hào)，假設(shè)。設(shè)屜時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)值為：互?；ヒ弧Ｊ瘢▋阂蝗阋?，），下面給出卡爾曼濾波的遞推步驟。述語(yǔ)言的設(shè)計(jì)周期更短，設(shè)計(jì)更容易。本文以基于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列器件和模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采

4、集系統(tǒng)為硬件平臺(tái)，基于模塊化設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了時(shí)鐘分頻模塊、轉(zhuǎn)換芯片的控制模塊和卡爾曼濾波模塊。卡爾曼濾波模塊采用歡迎岡上投稿國(guó)電子技術(shù)應(yīng)用年第期倒互戳。中國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)文章競(jìng)賽拈一狀態(tài)一步預(yù)測(cè)值：?jiǎn)卧δ苣K設(shè)計(jì)（）分頻模塊的設(shè)計(jì)茹小一蛾¨互¨屯帕秈：一。預(yù)測(cè)誤差方差：分頻模塊是對(duì)外部時(shí)鐘進(jìn)行分頻設(shè)定，得到系統(tǒng)內(nèi)裟囂蒜臻黧鬟囂籌囂囂喜耋濾波增益：噩最肛心：（以肛。：風(fēng)）一（）最佳濾波值：主：互一。噩（孔一“互一。）（）濾波誤差方差：（，一蜀仇）盼（）其中為他的對(duì)稱(chēng)非負(fù)定方差矩陣，最為鞏的對(duì)稱(chēng)正定方差矩陣，均為可知的。只要給定濾波初值互。和，根據(jù)七時(shí)刻的觀(guān)測(cè)兒就可遞推計(jì)算出

5、此時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)值茹。本設(shè)計(jì)應(yīng)用在永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)系統(tǒng)中，根據(jù)電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程：正，等經(jīng)離散化后可得狀態(tài)方程：黽蛾以倪妣其中，瓢【蘭。，哇氣：】，、【虧，：，仇（】，級(jí)，風(fēng)。系統(tǒng)量測(cè)方程為：弧以肌鞏菇。、茁：分別代表電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角和位置角變化率。為采樣周期。噪聲鞏包括量測(cè)誤差、變換器產(chǎn)生的誤差等。設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)選用的是公司系列的，系統(tǒng)編譯環(huán)境采用砌，頂層設(shè)計(jì)為圖形化方式，易實(shí)現(xiàn)模塊化。的主要任務(wù)是控制轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并從芯片中讀取轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)，進(jìn)行卡爾曼濾波處理并輸出。芯片模塊的劃分如圖所示，分頻模塊和控制模塊采用語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，卡爾曼濾波模塊用軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。外部時(shí)鐘分頻模塊啼上卡爾曼濾

6、波數(shù)據(jù)輸出。數(shù)據(jù)輸入模塊控制模塊圖芯片模塊結(jié)構(gòu)劃分示意圖電子技術(shù)應(yīng)用年第期程實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單，由于篇幅限制，這里不做介紹?？刂颇K采用“芯片對(duì)輸入信號(hào)數(shù)據(jù)采樣?！笆枪镜囊豢罡咚?、低功耗、路模擬輸入、位并行輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換器吲。與的接口連接如圖。信號(hào)調(diào)理電路旦宙：。氣圖與，連接示意圖三個(gè)保持信號(hào)（、）啟動(dòng)指定通道的轉(zhuǎn)換。，轉(zhuǎn)換結(jié)果為位，最高位為符號(hào)位，數(shù)據(jù)輸出方式很靈活，分別由觀(guān)、與地址線(xiàn)、的組合控制。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)果被存入輸出寄存器后，引腳的輸出將保持半個(gè)時(shí)鐘周期的低電平。通過(guò)置和為低電平可使數(shù)據(jù)讀出到并行輸出總線(xiàn)。結(jié)合的工作時(shí)序，設(shè)計(jì)采樣控制模塊，為采樣提供所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并從中讀取轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)，同時(shí)為

7、后續(xù)電路提供相應(yīng)的控制信號(hào)。采樣控制模塊與分頻模塊的圖元文件連接編譯后，進(jìn)行時(shí)序仿真，仿真波形如圖。圖采樣控制模塊時(shí)序仿真波形卡爾曼濾波模塊簡(jiǎn)介是公司推出的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)工具嗍。它將和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)工具的算法么壘蜜宦不羔壘。中國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)文章競(jìng)賽開(kāi)發(fā)、仿真和驗(yàn)證功能與的基于其中：蜀（厶）；局（）（）最佳濾波值互。可分解為：及語(yǔ)言的設(shè)計(jì)流程整合在一起，實(shí)現(xiàn)了這些工具的集成，為用戶(hù)提供了一個(gè)從軟件到硬件的完整開(kāi)發(fā)平臺(tái)。這種設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)了軟件設(shè)計(jì)與硬件驗(yàn)證的直接握手，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，提高了設(shè)計(jì)效率。它的出主茹一甄（以一茹）茗】：其中：髫石鬈（一菇）；，眨茗如蜃，（一髫）（）濾波誤差方差分解為：現(xiàn)進(jìn)一

8、步推動(dòng)了在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的應(yīng)用?？柭鼮V波算法矩陣運(yùn)算的分解：（，一墨）：肌丑卡爾曼濾波算法涉及到矩陣運(yùn)算，把矩陣運(yùn)算分解成一系列加減乘除運(yùn)算單元，利用的加減乘除等模塊來(lái)建模實(shí)現(xiàn)。利用平行的硬件技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)算法，可以提高執(zhí)行速度。在本設(shè)計(jì)中，卡爾曼濾波算其中：兒；一；厶一恐；笠一局。輸出預(yù)測(cè)多可分解為：多以茹一。茗由于卡爾曼濾波的基本方程是時(shí)間域內(nèi)的遞推形法的五個(gè)方程可以分解成如下的形式。（）狀態(tài)一步預(yù)測(cè)值互一，分解為：式，其計(jì)算過(guò)程是一個(gè)不斷的“預(yù)測(cè)一修正”過(guò)程，在求解時(shí)不要求存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，并且一旦觀(guān)測(cè)到了新的數(shù)據(jù)，隨時(shí)可以算出新的濾波值，便于實(shí)時(shí)處理?？柭鼮V波模型的建立在中建立一個(gè)木模

9、型文件，根據(jù)以上等式，利用庫(kù)和庫(kù)中的圖形茹一蛾¨，互¨砒其中：戈厶戈如；髫如茗（）預(yù)測(cè)誤差方差¨分解為：，一，鞏一、一咖：一，。：一。；乏：；：其中：印印爺笠：黟笠；如笠功笠；如五（）濾波增益噩可分解為：噩（仇肛，風(fēng)）【眉墨】模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入。本設(shè)計(jì)采用層次化設(shè)計(jì)，依據(jù)卡爾曼濾波算法分解的等式，利用庫(kù)中的加減乘除模塊以及端口模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)建模。建立的頂層系統(tǒng)模型如圖所示。圖中，為來(lái)自庫(kù)中的輸入信號(hào)模塊，圖卡爾曼濾波系統(tǒng)模型歡迎同上投稿衄電子技術(shù)應(yīng)用年第期倒皿噩狐啦中國(guó)大學(xué)生電子警計(jì)文章競(jìng)賽扣一信號(hào)為未疊加噪聲的原信號(hào)，為疊加高斯白噪聲的待濾波信號(hào)。、為卡爾曼濾波的個(gè)子

10、系統(tǒng)模塊。根據(jù)其方程分解的等式，利用庫(kù)中的加減乘除圖形模塊以及端口模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)建模，這里不詳細(xì)給出。卡爾曼濾波整個(gè)過(guò)程中用到多個(gè)加法、乘法運(yùn)算和乏一一一，一一除法運(yùn)算，比較復(fù)雜，計(jì)算量大。誤差方差存在穩(wěn)態(tài)值，從任意初始方差陣算起，當(dāng)后時(shí)，只（穩(wěn)態(tài)值），穩(wěn)定后增益矩陣甄也隨之穩(wěn)定了，因此若用噩的穩(wěn)定值瓦來(lái)代替噩，則只是前面若干步有誤差，硼魃惻援“：隨著遞推次數(shù)的增多，估計(jì)就越來(lái)越精確，這樣可以離【）剮）線(xiàn)將疋事先算好，作為常系數(shù)儲(chǔ)存起來(lái)，從而省去了每一步對(duì)噩的遞推運(yùn)算，使整個(gè)運(yùn)算得到簡(jiǎn)化。相應(yīng)地，利用采樣點(diǎn)圖誤差波形塒軟件建立勛咖模塊也得到簡(jiǎn)化，節(jié)的正弦信號(hào)相吻合，待信號(hào)穩(wěn)定后，誤差在以?xún)?nèi)。（）功

11、能仿真省硬件資源?？柭鼮V波模型的仿真結(jié)果（）仿真結(jié)果轉(zhuǎn)化語(yǔ)言以后，利用進(jìn)行功能仿真。設(shè)置輸入輸出信號(hào)均為模擬形式，仿真波形如圖采用疊加高斯白噪聲的正弦信號(hào)作為輸入信號(hào)，對(duì)建立的濾波器模型進(jìn)行仿真。從圖一圖的仿真結(jié)果可所示，與咖中的仿真結(jié)果一致。以看出，疊加噪聲的輸入信號(hào)通過(guò)濾波后，與未疊加噪聲乏魁般圖功能仿真圖（）時(shí)序仿真在環(huán)境中打開(kāi)建立的項(xiàng)目文圖疊加白噪聲的正弦輸入信號(hào)件，選擇器件型號(hào)進(jìn)行編譯和時(shí)序仿真，得到時(shí)序波形如圖所示。越援圖時(shí)序仿真圖用設(shè)計(jì)的卡爾曼濾波模型是整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)子模塊，把卡爾曼濾波模型轉(zhuǎn)化后的文件生成圖元文件，以便在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中調(diào)用。圖濾波后的信號(hào)和未疊加白噪聲的正弦輸

12、入信號(hào)（下轉(zhuǎn)第頁(yè)） 電子技術(shù)應(yīng)用年第期倒互爵獨(dú)。中國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)文章競(jìng)賽半一素中如果個(gè)誤差擴(kuò)散因子都產(chǎn)生了，軟核處系統(tǒng)特點(diǎn)理器就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理了。根據(jù)觀(guān)察，可以發(fā)現(xiàn)，每當(dāng)產(chǎn)生個(gè)誤差數(shù)據(jù)時(shí)，下一行數(shù)據(jù)元素中一定有一個(gè)可以進(jìn)行處理，這正是發(fā)現(xiàn)誤差數(shù)值準(zhǔn)備好的基礎(chǔ)。因此，慨傳遞信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)置如下：）基于的雙軟核系統(tǒng)，對(duì)圖像誤差擴(kuò)散算法進(jìn)行了并行化的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目的。由于在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，有兩個(gè)處理器任務(wù)處于活動(dòng)狀態(tài)，從而在硬件和軟件兩個(gè)層面上實(shí)現(xiàn)了多核并行。隨著嵌入式應(yīng)用的飛速發(fā)展，系統(tǒng)面臨的處理任務(wù)和處理數(shù)據(jù)日益龐大，傳統(tǒng)的以單個(gè)處理器為核心的系統(tǒng)已經(jīng)不能滿(mǎn)足應(yīng)用的需求，需要進(jìn)行多核系統(tǒng)

13、開(kāi)發(fā)。如果使用硬核進(jìn)行多核系統(tǒng)構(gòu)建，有著更新難、可配置性能低、價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)，而使用軟核處理器和技術(shù)，能夠在性能和價(jià)格取得平衡，使多核系統(tǒng)更有效，更具靈活性。參考文獻(xiàn)；，指明放人誤差矩陣的行；，指明放入誤差矩陣的列詛；，用于存放誤差數(shù)據(jù)咖數(shù)據(jù)處理的流程如圖所示。從郵箱中接收數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)放人誤差矩陣】，印卿，：遍歷誤差矩陣鰣【】，一陀瑚即【】：嗍，是否有誤差值完全準(zhǔn)備好？【】，、，如叩，（處理數(shù)據(jù)將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)放入另一個(gè)刪曲“圖數(shù)據(jù)處理流程，瑚，】嘶（）【】王建校，危建國(guó)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與實(shí)踐【】西安：西安電子科技大學(xué)出版社，【】張志剛黜與設(shè)計(jì)教程一實(shí)踐【】西安：西安電子科技大學(xué)出版社，（收稿日期：一）（上

14、接第頁(yè)）【】鄭建芬基于高頻注入和卡爾曼濾波的永磁同步電機(jī)無(wú)傳感器控制】學(xué)位論文沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電力電子與電力傳動(dòng)專(zhuān)業(yè)，【】鐘黎萍，王長(zhǎng)松，周曉敏，等卡爾曼濾波器在高頻信號(hào)注入法中的應(yīng)用【】機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，（）：在耐環(huán)境下，整個(gè)系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)中，調(diào)用各個(gè)子模塊，構(gòu)成完整的設(shè)計(jì)后進(jìn)行編譯、仿真、引腳分配等工作。最后配置芯片，把對(duì)象文件（田下載到附芯片中，進(jìn)行硬件測(cè)試?？柭鼮V波器在很多領(lǐng)域中有重要的作用?？蓪?shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理功能，并能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求。本文以基于器件和轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為硬件平臺(tái)，進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集及卡爾曼濾波算法設(shè)計(jì)，詳述了基于的卡爾曼濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。采用進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免了繁瑣的語(yǔ)言編程和電路設(shè)【】谷重陽(yáng)，汪渤，龍殊穎并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器與的接口設(shè)計(jì)【】微計(jì)算機(jī)信息，（）：一【】潘松，黃繼業(yè)技