基于DSP的新型彈載控制計(jì)算機(jī)

前言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，新型航天飛行器不斷涌現(xiàn)，各種用途的 導(dǎo)彈正不斷地走向高精度和小型化的道路。高精度要求航天飛行器和導(dǎo)彈的制導(dǎo)控 制精度高、穩(wěn)定性好，能夠適應(yīng)復(fù)雜的外界環(huán)境。因此控制算法比較復(fù)雜、計(jì)算速度快、精 度高。小型化則要求航天飛行器和導(dǎo)彈的體積小、機(jī)動(dòng)性好，在同等有效載荷的情況下，對(duì) 控制系統(tǒng)的重量和體積提出了更高的要求，要求控制計(jì)算機(jī)的性能越高越好，體積越小越好。性能指標(biāo)和體積限制迫切需要研制新型的彈載控制計(jì)算機(jī)。? 隨著數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)性能的迅速提高和成本價(jià)格的下 降，DSP的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，開(kāi)始在通用數(shù)字信號(hào)處理、通訊、語(yǔ)音處理、圖像處理、自動(dòng)控制和儀表儀器及 軍事與尖端科技等方面，以其強(qiáng)大的指令系統(tǒng)及接口功能顯示出功能強(qiáng)、速度快、編程和開(kāi)發(fā)方便等特點(diǎn)。利用DSP的性能，解決了高速與微型的矛盾，成功研制出了集 高速度、高精度和小型化于一體的基于DSP的新型彈載控制計(jì)算機(jī)，并通過(guò)了地面的性能測(cè) 試。

常用的彈載控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)

彈載計(jì)算機(jī)要求具有實(shí)時(shí)性、可靠性、嵌入性等特點(diǎn)。實(shí)時(shí)性要求對(duì)輸入的信 息數(shù)據(jù)以最快 的速度處理，以最短的時(shí)間延遲輸出控制指令去控制導(dǎo)彈的飛行?？煽啃砸竽軌蛟趷毫拥沫h(huán)境條件下使用，抗干擾能力強(qiáng)，要有寬工作溫度范圍、抗振動(dòng)和沖擊、耐潮濕、抗電磁干 擾等特點(diǎn)。嵌入性要求最輕最小的體積重量。但這些條件很難同時(shí)滿足，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮。

基于PC機(jī)和基于單片機(jī)是常用的兩種彈載控制計(jì)算機(jī)

基于PC機(jī)的彈載控制計(jì)算機(jī)是以Intel 80×86為CPU，外圍加上相應(yīng)的協(xié)處理器、內(nèi)存、硬 盤(pán) 、接口電路（包括A/D和D/A、串行通訊等）等組成。和普通的商用計(jì)算機(jī)比較類似，采用高級(jí)語(yǔ)音設(shè)計(jì)，編程比較容易，研制的廠家多，技術(shù)也比較成熟；32位字長(zhǎng)，有協(xié)處理器配合可以作較高精度的浮點(diǎn)運(yùn)算，主頻15～66 MHz，甚至更高，整體速度快，相當(dāng)于286～486的性能；尋址能力強(qiáng)，可以訪問(wèn)到外部M bit～G bit的空間，能夠 進(jìn)行實(shí)時(shí)的高精度和高速度計(jì)算。但接口能力差，需要較多的外圍接口器件配合，體積大，不易實(shí)現(xiàn)小型化。

基于單片機(jī)的彈載控制計(jì)算機(jī)主要由以Intel 8031為核心的51系列單片機(jī)或96系列單片機(jī)組 成中央處理器，外圍配以少量的接口器件組成。其接口能力強(qiáng)、I/O管腳多、可直接驅(qū)動(dòng)邏輯電路，功耗大、體積小，可將RAM、ROM、CPU集成在單片上，有的可同 時(shí)集成晶振和看門(mén)狗WTD電路，減少了系統(tǒng)的復(fù)雜程度、方便了使用、提高了可靠性，嵌入性能很好。但其整體計(jì)算性能差，這種計(jì)算機(jī)一般是8位、準(zhǔn)16位或16位，沒(méi) 有浮點(diǎn)運(yùn)算指令，無(wú)法進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，計(jì)算精度差；晶振常為1～16 MHz，尋址能力有限， 通常只有幾十千字節(jié)至幾百千字節(jié)的能力，無(wú)法完成實(shí)時(shí)計(jì)算與高精度的控制任務(wù)，一般多 用于簡(jiǎn)易控制系統(tǒng)中。

DSP同時(shí)具備了這兩者的優(yōu)點(diǎn)，可以滿足高性能和小型化的要求。

DSP的發(fā)展現(xiàn)狀

半導(dǎo)體技術(shù)同IT技術(shù)一樣也在不斷地發(fā)展。世界上第1個(gè)單片DSP是AM I公 司在1978年發(fā)布的，定點(diǎn)位數(shù)12/16，一次乘法和加法的時(shí)間(MAC)為300 ns。在那以后， 世界上有許多著名的半導(dǎo)體廠家陸續(xù)推出了自己的DSP，從定點(diǎn)到浮點(diǎn)，生產(chǎn)工藝不斷改善 ，硬件資源越來(lái)越豐富，運(yùn)算速度越來(lái)越快，性能越來(lái)越高，功耗、體積也越來(lái)越小。以美國(guó)德州儀器公司（TI公司）生產(chǎn)的DSP為例，1982年推出了第1代的定點(diǎn)DSP，到1997年推出 的C 6X浮點(diǎn)DSP以及多處理器芯片TMS320C8X，后者集成了5個(gè)高性能的DSP，可以并行運(yùn)算，實(shí)時(shí)處理能力達(dá)每秒20億次操作，精度達(dá)到了64位。就其1989年推出的第1代浮點(diǎn)DSP而言，MAC 已達(dá)60 ns，浮點(diǎn)位數(shù)已達(dá)40位；具有指令功能強(qiáng)，指令集有113條指令，大部分指令是單周期的，采用流水線操作，支持32位浮點(diǎn)乘法和并行指令；有5類尋址方式，這些類中又 可采用6種尋址類型；16 Mbit可尋址范圍。計(jì)算速度和精度已達(dá)到甚至 超過(guò)了PC機(jī)的CPU；體積小，具有豐富的硬件資源和靈活方便的接口，使得D SP 在要求高性能和小型化的導(dǎo)彈控制上具有良好的應(yīng)用條件和前景。 研制基于DSP的新一代彈載控制計(jì)算機(jī)，雖然有卓越的性能和微小的體積作保證， 但關(guān)鍵在于控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)。

基于DSP新型彈載控制計(jì)算機(jī)的方案設(shè)計(jì)

在整體方案設(shè)計(jì)之前，要對(duì)導(dǎo)彈的任務(wù)和實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)作需求分析。根據(jù) 導(dǎo)彈總體的要求和控 制對(duì)象的復(fù)雜程度，選擇控制周期；按照控制周期內(nèi)控制計(jì)算量來(lái)確定彈上計(jì)算的類型和運(yùn)算速度，并結(jié)合外部單元確定接口方案，以及對(duì)抗干擾因素的考慮，可確定整體的通訊協(xié)議 和接口形式。

1 控制系統(tǒng)整體組成框圖

在導(dǎo)彈的飛行過(guò)程中，為了精確地命中目標(biāo)，需要對(duì)其飛行姿態(tài)進(jìn)行控制，引導(dǎo)導(dǎo)彈準(zhǔn)確飛 向目標(biāo)。為了進(jìn)行姿態(tài)控制，通常需要獲得彈體飛行姿態(tài)的實(shí)時(shí)參數(shù)，以及目標(biāo)和導(dǎo)彈的相對(duì)位置關(guān)系。有了這些信息參數(shù)，經(jīng)過(guò)控制計(jì)算機(jī)的控制算法計(jì)算，實(shí)時(shí)輸出控制量到執(zhí)行 機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈的控制，其構(gòu)成示意圖見(jiàn)圖1。

2 控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思路

由圖1的接口組成可看出信息數(shù)據(jù)的流向。接口設(shè)計(jì)是一個(gè)重 要的環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)質(zhì)量將直接影響系統(tǒng)的性能。為了減輕計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)，外部的輸入信號(hào) 用中斷方式讀入，信號(hào)輸入輸出時(shí)要考慮抗干擾性。所設(shè)計(jì)的整體方案要易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)不同 型號(hào)的導(dǎo)彈要有一定的適應(yīng)性，對(duì)于要求相近的型號(hào)，應(yīng)該以修改控制軟件為主，以少改動(dòng)或不改動(dòng)硬件設(shè)計(jì)為好。這些要求都要在方案設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)中考慮。

3 彈載控制計(jì)算機(jī)與外圍的接口設(shè)計(jì)

彈載控制計(jì)算機(jī)與外圍的單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，慣性器件應(yīng)以脈沖數(shù)的 方式將信息數(shù) 據(jù)送出，由彈載控制計(jì)算機(jī)對(duì)其計(jì)數(shù)，轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，這樣不但加大了彈載控制計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)，而且慣性器件對(duì)應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換和隔離也復(fù)雜了。參考美國(guó)國(guó)軍標(biāo)和前蘇聯(lián) 的做法，并考慮到新型敏感裝置或慣性器件中都采用了計(jì)算機(jī)或單片機(jī)。為了簡(jiǎn)化彈載控制計(jì)算機(jī)與外圍單元交換數(shù)據(jù)的接口電路、減少隔離措施，可采用RS-485、RS-232或RS-422 通訊協(xié)議。為了減少?gòu)椵d控制計(jì)算機(jī)和外圍單元串行通訊的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)也為了減少接口器件的數(shù)目、提高整體系統(tǒng)的可靠性，選用UART通訊接口芯片，可實(shí)現(xiàn)異步串行通 訊、數(shù)據(jù)采用中斷方式讀入控制計(jì)算機(jī)。由于DSP的I/O資源有限，需要控制大量外部接口線，在擴(kuò)展I/O時(shí)，可直接借用UART控制器（如16C550，16C554）的閑置MODEM管 腳，而省去了擴(kuò)展I/O帶來(lái)的不可靠因素。

控制伺服機(jī)構(gòu)常用的是4個(gè)舵機(jī)，飛行中要求這4個(gè)舵機(jī)同時(shí)動(dòng)作，相互之間不能有延遲。 由于結(jié)構(gòu)上的限制，舵機(jī)的控制器離彈載控制計(jì)算機(jī)有一定的距離，為了抗干擾和提高系統(tǒng)可靠性，仍然需要串行通訊。為了保證控制精度，舵機(jī)的伺服控制器一般采用12位或更高的 D/A得到控制指令。如果考慮到通訊的數(shù)據(jù)量、舵機(jī)的工作方式和控制的實(shí)時(shí)性要求，在滿足精度的前提下，選用12位的D/A變換比較合適，如選用MAX536，其通訊的數(shù)據(jù)格式見(jiàn)圖2 。
由圖2可知，在1個(gè)字的通訊數(shù)據(jù)中，除了12位的D/A數(shù)據(jù)外，還可以用高4位地址/命 令位的 不同組合來(lái)實(shí)現(xiàn)“逐個(gè)送數(shù)，同時(shí)輸出”，達(dá)到同時(shí)控制4個(gè)舵機(jī)的目的。這樣的選擇可以實(shí)現(xiàn)和C31的無(wú)邏輯連接。

4 DSP的選擇

DSP的選擇要從控制性能要求、接口、計(jì)算速度、計(jì)算精度、軟件的編 制和軟件的移植性等方面考慮。參考圖1，由于通訊接口采用了UART控制器，使得原本比較費(fèi)時(shí)的通訊耗時(shí)很少，幾乎可以不考慮，這樣DSP計(jì)算速度的選擇就由控制方案中控制方程計(jì)算量的大 小來(lái)定，對(duì)于擺動(dòng)頻率不超過(guò)10 Hz的小型導(dǎo)彈，采用2 ms控制周期，選用50 MHz晶振的DSP 即 可滿足需求?？紤]到編程的方便和程序的移植性，選用浮點(diǎn)的DSP比較合適，再加上 對(duì)所需硬件資源，又選擇了TMS320C31-50及選擇微計(jì)算機(jī)工作模式，其主要硬件資源列于表 1，功能模塊如圖3所示。對(duì)于升級(jí)，可以考慮選用TMS320C4X 或TMS320C6X系列。


數(shù)據(jù)/程序總線 STRB: 32位數(shù)據(jù)，24位地址
內(nèi)部RAM 2K字, RAM0 1K; RAM1 1K
串行I/O口 1個(gè)高速串行口
DMA控制器 單通道
定時(shí)器 兩個(gè)，32位
外部中斷源 4個(gè)：INT0～I(xiàn)NT3
仿真器接口 1個(gè)
互鎖信號(hào) 兩個(gè)：XF0,XF1
其他 保持、復(fù)位等信號(hào)


5 控制邏輯的設(shè)計(jì)

為了進(jìn)行與外部數(shù)據(jù)的交換，需要片選、數(shù)據(jù)線、地址線等時(shí) 序信號(hào)按照規(guī)定的邏輯關(guān)系工 作，即系統(tǒng)要在邏輯控制關(guān)系的協(xié)調(diào)下，才能形成工作時(shí)序，系統(tǒng)才能正常工作。這種邏輯控制關(guān)系一般可用門(mén)電路或邏輯宏單元實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)4.2中的通用性，同時(shí)也是為了減少 硬件的數(shù)目，提高系統(tǒng)的可靠性，選用了邏輯宏單元。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)所需的邏輯控制信號(hào)數(shù)目的分析，調(diào)試硬件時(shí)更改邏輯控制信號(hào)，選用了Lattice公司的在線邏輯編 程單元isp1610E。按照邏輯關(guān)系，編寫(xiě)出邏輯控制方程，用專用電纜download后，即可實(shí)現(xiàn)邏輯控制。調(diào)試過(guò)程可參考硬件調(diào)試流程圖。

6 RAM和ROM的選擇

TMS320C31型DSP采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)統(tǒng)一存放，如果 整個(gè)計(jì)算程序的大小不超 過(guò)2 K×32位，則可以放在DSP內(nèi)部RAM運(yùn)行，無(wú)需擴(kuò)展。但由于用戶程序一般都會(huì)超過(guò)2 K， 需 要按照程序的大小擴(kuò)展32位的RAM。所選擇RAM的速度必須小于DSP的讀寫(xiě)周期。TMS320C31-5 0全速運(yùn)行時(shí)的讀寫(xiě)周期為20 ns，因此，選擇了4片15 ns的128 K×8位RAM來(lái)組成系統(tǒng)的RAM 。 當(dāng)DSP工作在微計(jì)算機(jī)模式時(shí)，程序要存放在EEPROM或FLASH中，在系統(tǒng)上電時(shí)，由Bootlood 程序搬移到外部的RAM中運(yùn)行。選擇ROM時(shí)，同樣需要考慮容量和速度，由于DSP總線最多有7 個(gè)周期的延遲，因此，ROM的速度最慢不得超過(guò)該限制。容量要大于程序的大小。
按上述原則選擇好基本器件，根據(jù)數(shù)據(jù)流向、地址總線、數(shù)據(jù)總線和工作時(shí)序的要求依次設(shè) 計(jì)并實(shí)現(xiàn)彈載控制計(jì)算機(jī)。

基于DSP的新型彈載控制計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)和調(diào)試

1 硬件生產(chǎn)和調(diào)試

在方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合導(dǎo)彈控制的需求，選擇合適的DSP和接口器件， 構(gòu)成了基于DSP的彈上新型控制計(jì)算機(jī)。圖4為根據(jù)具體需求所設(shè)計(jì)的硬件原理框圖。

2 軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試

為了實(shí)現(xiàn)軟件的模塊化設(shè)計(jì)，應(yīng)對(duì)經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)仿真驗(yàn)證的控制算法進(jìn) 行分析，按照功能進(jìn)行 模塊劃分，形成一個(gè)個(gè)的功能模塊。按照工作流程和控制規(guī)律，將一個(gè)個(gè)的功能模塊組成整體軟件。為了方便和硬件的聯(lián)調(diào)，軟件設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮混合語(yǔ)言編程，對(duì)硬件接口控制多的地方，選用匯編語(yǔ)言；對(duì)算法復(fù)雜、計(jì)算量大的，可采用C語(yǔ)言。 整體軟件框圖如圖5所示。

3 硬件和軟件聯(lián)調(diào)
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軟件和硬件調(diào)試分別通過(guò)后，就可進(jìn)行軟件和硬件的聯(lián)調(diào)。先用仿真器將 根據(jù)控制算法所編寫(xiě)的控制軟件下載到硬件的DSP中，測(cè)試輸出的控制結(jié)果是否正確。確認(rèn)得到正確的結(jié)果后，將程序燒錄到EEPROM存儲(chǔ)器中，脫離仿真器進(jìn)行地面試驗(yàn)。如果結(jié)果不正確，查找 并修正錯(cuò)誤，返回前一步重新調(diào)試；一切控制 正常，則到此就完成了整體設(shè)計(jì)、硬件生產(chǎn)和調(diào)試、軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試、軟硬件的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，形成了基于DSP的新型彈載控制計(jì)算機(jī)。

結(jié)束語(yǔ)

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，DSP將以它特有的優(yōu)越性能在軍事和高科技 中得到廣泛的應(yīng)用。本文以高精度和小型化的導(dǎo)彈飛行控制為例，詳細(xì)地說(shuō)明了基于DSP的新型彈載控制計(jì)算機(jī)的研制，并通過(guò)了地面的性能測(cè)試。但在上彈之前，還需經(jīng)過(guò)更多的試驗(yàn)和測(cè)試（如振動(dòng)、沖擊 、溫度循環(huán)、老化試驗(yàn)等），同時(shí)要經(jīng)過(guò)逐步的工程化，期望能夠在其他導(dǎo)彈型號(hào)和航天飛行器中得到更廣泛的應(yīng)用。