YH-7000VG型慣導與彈載計算機的數據通信設計

王 亭 趙紅超

(海軍航空工程學院七系，山東 煙臺 264001)

0 引言

慣導系統是測量空間參數和運動參數的慣性傳感器系統，它是導彈控制系統的重要組成部分。彈載計算機采集慣導系統的空間、運動參數，并進行制導控制、姿態控制等控制算法的運算，得到控制量并輸出給舵系統或伺服系統，完成對導彈的姿態、彈道的控制。因此，彈載計算機是導彈控制系統中的控制中樞［1－2］。

本文構建了一套超聲速導彈的半實物仿真系統［3］。其中，彈載計算機是自行研制的設備，它以DSP TMS320F240PQ 為中央處理器［4－5］;選用云海公司的YH-7000VG型慣導作為慣性測試設備，放置在三軸轉臺上;采用德國Dspace仿真機來實時模擬導彈的空間位置和運動狀態，并控制轉臺轉動，以帶動慣導轉動。YH-7000VG慣導敏感轉臺的轉動角度、角速度、加速度等運動參數被送入彈載計算機。彈載計算機采集這些數據后進行處理，作為控制算法的輸入參數。實時數據通信技術是導彈半實物仿真系統的一項關鍵技術，為此，本文研究了慣導和彈載計算機之間數據通信的工程化電路設計、設備之間的線路連接、設備通信內部配置、DSP通信軟件編程方法、數據轉換等技術內容。

1 YH-7000VG慣導性能設置

YH-7000慣導系統有慣性測量單元(inertial measurement unit，IMU)和垂直陀螺(vertical gyro，VG)這兩種型號，屬于高性能空間角度和運動參數測量裝置。

本半實物仿真系統采用的是YH-7000VG。

YH-7000VG的工作電源采用單一的直流供電方式，供電電壓范圍為8～24 VDC。在設備21芯插座的第6針為VDC+輸入，11、15針為Ground電源地輸入。

1.1 數據輸出方式選擇

YH-7000VG慣導能夠測量滾動角和俯仰角的角度參數、XYZ三個方向的轉動角速度以及這三個方向的運動加速度等數據。

YH-7000VG慣導的串行口通信的數據格式為數據包形式，一個數據包為23 B的數據。數據的輸出有兩種方式:一種是模擬量輸出，可供彈載計算機采用ADC進行數據采集;另一種是高速串行口通信方式［6－7］，即慣導和彈載計算機通過 RS-232 串行口相聯，進行數據交換。模擬量輸出方式需要彈載計算機具備八通道同步的高速、高分辨率ADC數據采集通路，這就增加了彈載計算機的復雜性，且模擬信號易受到電磁干擾。因此，本系統采用第二種方式，即高速串行口通信方式。YH-7000VG的RS-232接口信號的定義如表1所示。

表1 接口信號定義Tab.1 Definition of the interfacing signals

1.2 慣導波特率的設置

1.2.1 通信波特率的選擇

彈載計算機的控制運算周期定為T=10 ms，它主要包括:數據采集時間T1、控制算法運算時間T2和控制輸出時間T3。因此，必須滿足:T1+T2+T3＜T。通過實際運行測試發現，T2+T3的最長時間為5.1 ms。因此，要求 T1不大于4.9 ms。

YH-7000VG的串行口通信協議為:一個停止位，八個有效數據位和一個停止位。默認波特率為38400 bit/s，但傳輸一個數據包需要8.6 ms，數據刷新率為115 Hz，這顯然不能滿足系統的需要。為此，選擇其最快的數據傳輸速率，即115200 bit/s的波特率，傳輸一個數據包需要 4.6 ms，數據刷新率為 210 Hz，此時，T1+T2+T3=9.7 ms，滿足系統需要。

1.2.2 慣導的波特率設置

YH-7000VG慣導的波特率設置可以通過彈載計算機給其發送相應的控制命令進行設置。由于YH-7000VG的默認波特率為38400 bit/s，因此彈載計算機也需要首先設置自己的波特率為38400 bit/s，然后在此狀態下向慣導發控制命令。彈載計算機向慣導發控制命令的步驟如下。

①復位YH-7000VG:彈載計算機發送“R”命令，復位YH-7000VG;

②暫停YH-7000VG:彈載計算機發送“P”命令，暫停YH-7000VG的數據發送;

③設置YH-7000VG新的波特率:彈載計算機發送“B2”命令，設置 YH-7000VG的通信波特率為115200 bit/s;

④彈載計算機設置本身的波特率為115200 bit/s，這和YH-7000VG的波特率一致，就可以控制慣導設備，與其進行數據通信;

⑤啟動YH-7000VG發送測試數據，彈載計算機發送“C”命令，啟動YH-7000VG按115200 bit/s的波特率、210 Hz的數據刷新頻率連續發送運動參數數據包。

2 基于DSP的彈載計算機設計

2.1 彈載計算機結構

我們研制的超聲速導彈半實物仿真系統的結構框圖如圖1所示。

圖1 半實物仿真系統結構框圖Fig.1 Structure diagram of half-practicality simulation

圖1中，彈載計算機的功能是用來實時接收YH-7000VG慣導輸出的運動參數，并以此進行相關控制算法的計算，計算的結果通過DAC輸出送給Dspace仿真機。彈載計算機的結構框圖如圖2所示。

圖2 彈載計算機結構框圖Fig.2 Structure diagram of missile-borne computer

圖2中，JTAG接口是 DSP的仿真接口;DSP TMS320F240PQ由高效率的CMOS技術所研制，具有運算速度快的特點。

為實現更快的計算速度，采用定點式的運算方式。TMS320F240PQ內部具有程序存儲器Flash 32 kB，作為用戶程序代碼固化;544 b的內部RAM，作為數據存儲器［8］。

設計過程中，系統另擴展兩片高速RAM CY7C1021-15ZC，作為數據存儲器和調試期間用戶程序運行區域。DAC轉換器件采用BB公司的12位轉換器DAC7545。為了使模擬輸出具有雙極性，還設計了信號調制電路。

2.2 RS-232串行口驅動電路設計

由于DSP的串行口信號是TTL電平，而本文采用的YH-7000VG的串行口信號是標準的RS-232電平。為了使這兩種信號兼容，設計了RS-232串行口電平驅動電路。串行口的電平驅動采用MAXIM的MAX232CPE，其最大信號傳輸速率為120 kB/s，因此能滿足波特率為115200 bit/s的信號傳輸要求。RS-232串行口電平驅動電路如圖3所示。

圖3 串行口電平驅動電路Fig.3 Electronic driving circuit of serial port

3 彈載計算機軟件設計

彈載計算機的軟件功能是結合系統的硬件完成對YH-7000VG慣導的工作方式設置，并與其進行高速數據通信，接收其運動參數，進行數據轉換，然后進行控制算法的計算和結果輸出。軟件設計流程圖如圖4所示。

圖4 軟件設計流程圖Fig.4 Flowchart of software design

彈載計算機軟件程序分為DSP工作初始化程序、YH-7000VG的工作方式設置程序、慣性運動參數接收程序、三個通道控制算法解算程序和解算結果輸出程序。DSP控制算法程序的功能是結合硬件電路實現從仿真機接收控制算法需要的參數，然后進行導彈控制算法的解算，并將解算的結果輸出，完成一個控制周期的運算，直到飛行仿真結束。此部分程序采用DSP-C語言編寫，結構、語句和數據結構符合標準C語言。通過DSP仿真器對軟件進行調試。DSP仿真器利用計算機的USB接口和仿真器連接，仿真器通過JTAG接口與彈載計算機的DSP仿真口連接。

3.1 串行口初始化

DSP的工作電路采用11.0592 MHz的外頻晶振，設置DSP的時鐘寄存器 CLKCR0=0XC3，CLKCR1=0XCA，則彈載計算機 DSP的系統工作時鐘 clksys=DSP的SCI波特率設置寄存器，其中，BAUD為擬設置的波特率。由于系統要用到兩個波特率:38400 bit/s和115200 bit/s，因此對應的BRR分別為26和8。系統程序調用子程序INIT_RSINT來設置波特率，程序語句如下:

3.2 YH-7000VG慣導的設置

在上電復位的狀態下，彈載計算機按以下順序向YH-7000VG慣導發送設置命令，編程如下:① DSP設置本身的波特率38400 bit/s:INIT_RSINT(38400);② 向YH-7000VG發復位命令:SCITXBUF=‘R’;longwait(1);③ 發暫停數據輸出命令:SCITXBUF=‘P’;longwait(1);④設置YH-7000VG新的波特率:SCITXBUF=‘B’;while((SCICTL2 ＆ 0x80)!=0x80){};SCITXBUF=‘2’;longwait(1);⑤ 設置 DSP新的通信波特率:INIT_RSINT(115200);⑥ 發連續數據輸出命令:SCITXBUF=‘C’;longwait(1)。此時，YH-7000VG慣導就連續以115200 bit/s的波特率、210 Hz的數據刷新率向彈載計算機發送導彈運動數據。

3.3 數據接收與變換

彈載計算機進行數據接收與變換的程序如下:

4 結束語

本文簡單介紹了YH-7000VG慣導的應用性能設置，設計并實現了基于DSP TMS320F240PQ的彈載計算機和YH-7000VG慣導系統之間的高速數據通信。試驗運行表明，彈載計算機采集YH-7000VG慣導的運動參數準確完整、可靠性高，數據通信的傳輸無誤碼，完全滿足某超聲速導彈半實物仿真系統的需要。

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