基于DSP的嵌入式飛行控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究

王洋

摘要：文章針對(duì)飛行器嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的具體需求，設(shè)計(jì)了彈載信息處理系統(tǒng)硬件平臺(tái)。介紹了嵌入式彈載計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，并給出了各個(gè)模塊的具體設(shè)計(jì)；給出了飛控計(jì)算機(jī)中央處理單元的詳細(xì)參數(shù)和處理器上運(yùn)行的軟件的功能和處理流程。最后進(jìn)行了A/D采樣和串口通信實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)的有效性。

關(guān)鍵詞：飛行器；飛控計(jì)算機(jī)；嵌入式計(jì)算機(jī)；DSP

中圖分類號(hào)：TP274.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8937（2011）22-0079-02

嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是各類彈箭飛行器中關(guān)鍵部件，有著非常重要的作用。隨著飛行器上的信息處理系統(tǒng)朝著數(shù)字化、信息化、智能化的方向發(fā)展，各種處理算法不斷更新，對(duì)飛行器上的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的信息處理能力也提出了越來越高的要求。

如何提高彈載計(jì)算機(jī)的信息處理能力，提高飛行器的處理性能冗余度，以便滿足復(fù)雜的算法處理需求，成為設(shè)計(jì)者面對(duì)的關(guān)鍵問題。隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，適用于飛行器上信息處理的DSP芯片的集成度也大幅提高，單個(gè)芯片就集中了多類連接外部設(shè)備的接口。本文將基于DSP芯片進(jìn)行彈載信息處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1彈載信息處理系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

嵌入式彈載信息處理系統(tǒng)是飛行器完成信號(hào)處理和預(yù)定任務(wù)的核心部件，其主要可以分為以下幾個(gè)部分：中央處理單元、外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器、FPGA芯片、邏輯控制電路、電源管理 電路以及接口信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)電路，其方框原理圖見圖1。

根據(jù)某飛行器信息實(shí)時(shí)處理的要求，設(shè)計(jì)時(shí)要求嵌入式彈載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有如下主要功能：具有2路RS422通信接口，以用于連接上位機(jī)進(jìn)行程序的檢測調(diào)試和數(shù)據(jù)導(dǎo)出。不少于2路的12位高精度的A/D采樣通道。這樣，導(dǎo)引頭的電壓信號(hào)可以通過外部同步信號(hào)觸發(fā)的方式來實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)采樣，再輸入到計(jì)算中來檢測彈體當(dāng)前的滾轉(zhuǎn)角和偏航角。可靠性高，斷電時(shí)能夠保持各種飛行器上的數(shù)據(jù)。具有多個(gè)可擴(kuò)展的I/O口，可以通過軟件設(shè)定I/O口。以便輸出控制信號(hào)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、啟動(dòng)導(dǎo)引頭等，同時(shí)能夠接收外部輸入的反饋信號(hào)。具有精確的“看門狗”、定時(shí)器、以及可靠的電源監(jiān)視功能。

電源管理電路設(shè)計(jì)時(shí)采用了德州儀器為DSP芯片應(yīng)用系統(tǒng)配套的電源轉(zhuǎn)換芯片TPS73HD318。該芯片可同時(shí)直接把5 V電壓分為兩路轉(zhuǎn)換成1.8 V和3.3 V，這樣不僅減小了器件的面積和體積，還提高了轉(zhuǎn)換效率，降低了系統(tǒng)功耗。

由于飛行器中為計(jì)算機(jī)供電的鋰電池的供電時(shí)間持續(xù)約為1 h，因此在測試實(shí)驗(yàn)過程中必須設(shè)計(jì)非易失性存儲(chǔ)設(shè)備。另外，由于彈上的Flash芯片在進(jìn)行擦寫時(shí)必須對(duì)塊進(jìn)行擦除，這導(dǎo)致擦除過程會(huì)出現(xiàn)幾十毫秒的延遲，因此本文增加了一片Xicor公司的X25323芯片，該E2PROM擁有32 K空間，具有塊閉鎖保護(hù)和低電平檢測功能，SPI接口操作，寫周期為5 ms。

由于一般情況下臥式晶振在高過載情況下比立式晶振的抗過載能力要高得多，所以本文的晶振電路采用30 MHz的四角臥式外部有源晶振。TMS320F2812芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)了一個(gè)可以進(jìn)行10倍倍頻的PLL鎖存器，所以本文把DSP芯片直接與30 MHz晶振連接。通過內(nèi)部10倍頻后再2分頻得到150MHz的脈沖信號(hào)，而TMS320F2812能支持的最高工作時(shí)鐘就是150 MHz。

2中央處理器及軟件功能設(shè)計(jì)

中央處理單元主要完成各種應(yīng)用程序的執(zhí)行、運(yùn)行各種控制算法、輸出各類控制信號(hào)并和外部設(shè)備進(jìn)行通信等功能，為飛行器飛行控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心。本文采用了德州儀器公司的TMS320系統(tǒng)的DSP TMS320F2812作為其核心芯片。

TMS320F2812是業(yè)界首批32位的控制專用的數(shù)字信號(hào)處理器，內(nèi)含閃存，處理性能高達(dá)150MIPS，專門為光學(xué)網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)化控及制工業(yè)自動(dòng)化等應(yīng)用而設(shè)計(jì)。在TMS320C2000系列DSP中，尤其是最近推出的C28x系列高精度DSP (數(shù)字信號(hào)處理器)，其內(nèi)核的綜合性能在數(shù)字控制應(yīng)用方面是非常不錯(cuò)的。C28x的內(nèi)核提供多達(dá)150MIPS的處理和計(jì)算性能，即使面對(duì)復(fù)雜的控制算法也能夠?qū)崟r(shí)地處理，如功率因數(shù)校正等算法、隨機(jī)PWM的生成、高速傳感器控制等。同時(shí)C28x的程序代碼效率也是非常高的，其程序代碼與目前所有的C2000DSP的程序代碼兼容，方便了程序的移植，利用產(chǎn)品升級(jí)更新。本文設(shè)計(jì)了飛控計(jì)算機(jī)的軟件功能，軟件處理的流程如圖2所示。

3系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與測試

本文TMS320F2812上的標(biāo)準(zhǔn)IEEE1149.1JTAG接口和串口調(diào)試助手進(jìn)行測試和實(shí)驗(yàn)，通過設(shè)置斷點(diǎn)在線調(diào)試驗(yàn)證了程序的功能。由于A/D采樣時(shí)存在一定的誤差和漂移，必須對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對(duì)外部電壓的采樣精度為到±8 MV，在115200的波特率下系統(tǒng)串口通信誤碼率小于0.02%，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)語

本文針對(duì)飛行器上飛控計(jì)算機(jī)信息處理的需要，基于TMS320F2812 DSP處理器設(shè)計(jì)開發(fā)了飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。本嵌入式計(jì)算機(jī)平臺(tái)外擴(kuò)器件較少、綜合處理性能比較高，設(shè)計(jì)的飛行器嵌入式計(jì)算機(jī)可靠性高、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、體積小，為同類系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

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