OMAPL138的光電任務(wù)載荷控制器設(shè)計(jì)

王馬強(qiáng)，王惠林，邊赟，姜世洲，馮濤

(西安應(yīng)用光學(xué)研究所，西安 710065)

OMAPL138的光電任務(wù)載荷控制器設(shè)計(jì)

王馬強(qiáng)，王惠林，邊赟，姜世洲，馮濤

(西安應(yīng)用光學(xué)研究所，西安 710065)

摘要:針對(duì)無人機(jī)光電任務(wù)載荷輕量化、小型化和高性能的需求，本文基于ARM+DSP的雙核異構(gòu)OMAPL138處理器，設(shè)計(jì)了一種兼具多任務(wù)管理和伺服穩(wěn)定控制功能的光電任務(wù)載荷控制器。設(shè)計(jì)中擴(kuò)展了8通道EMIF總線接口方式的串口，運(yùn)用了GDB和CCS相結(jié)合的動(dòng)態(tài)雙核調(diào)試法，實(shí)現(xiàn)了利用消息隊(duì)列和環(huán)形緩沖區(qū)的核間通信，完成了光電任務(wù)載荷的高效準(zhǔn)確控制。該設(shè)計(jì)改善了控制器的體積和功耗，提高了核間通信的速度與可靠性，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞:OMAPL138；SysLink；雙核通信；光電任務(wù)載荷控制器

引言

光電任務(wù)載荷作為無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)配置的任務(wù)單元，可對(duì)戰(zhàn)區(qū)進(jìn)行照相偵察、監(jiān)視、目標(biāo)測(cè)距、定位與跟蹤，成為現(xiàn)代軍事武器裝備的千里眼[1]。光電任務(wù)載荷關(guān)鍵的技術(shù)問題之一是針對(duì)無人機(jī)的載荷能力限制，開展輕量化、小型化、高性能等方面的研究[2]。光電任務(wù)載荷控制器具有多任務(wù)管理和伺服穩(wěn)定控制的功能，多任務(wù)管理包括處理地面站操控命令，控制光電傳感器，切換光電任務(wù)載荷工作模式[3]，伺服穩(wěn)定控制實(shí)現(xiàn)光電傳感器大范圍轉(zhuǎn)動(dòng)或扇形搜索，并對(duì)目標(biāo)定位與跟蹤。控制器設(shè)計(jì)既要滿足實(shí)時(shí)多任務(wù)管理和穩(wěn)定伺服控制，還要盡可能體積小和功耗低。目前多數(shù)控制器采用PowerPC結(jié)合 DSP的方式，利用串口交換數(shù)據(jù)命令，體積與功耗較大，通信速度較低，易受干擾。

低功耗、高性能的OMAPL138芯片將以往分開工作的兩個(gè)處理器集成為一個(gè)雙核處理器。基于OMAPL138的光電任務(wù)載荷控制器雙核分管工作，充分利用浮定點(diǎn)兼容的C6748 DSP 來支持高強(qiáng)度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理和伺服運(yùn)動(dòng)解算，同時(shí)將多任務(wù)管理交給ARM9內(nèi)核負(fù)責(zé)，使用SysLink進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，充分發(fā)揮了ARM和DSP自身強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，減小了控制器的體積和功耗，并且能夠高效率的交換數(shù)據(jù)。

1OMAPL138

TI公司的OMAPL138采用ARM926EJ-S內(nèi)核和TMS320C674x內(nèi)核的異構(gòu)結(jié)構(gòu)，浮點(diǎn)、定點(diǎn)能力兼?zhèn)洌瑑?nèi)核頻率高達(dá)375/456 MHz[4]。ARM926EJ-S內(nèi)核是Jazelle 技術(shù)增強(qiáng)的32 位RISC CPU，采用流水線結(jié)構(gòu)，TMS320C674x內(nèi)核是每秒百萬條指令(MIPS1/每秒百萬個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算(MFLOPS)的32位VLIW DSP，采用2級(jí)高速緩存架構(gòu)。

OMAPL138將ARM和DSP集成于一塊芯片中，在穩(wěn)定性方面有著較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)；ARM核和DSP核都可以獨(dú)立操作EDMA3、EMIFA、EMAC、SPI 等豐富的外設(shè)接口[5]；先進(jìn)的電源管理對(duì)實(shí)現(xiàn)可靠、高效運(yùn)作至關(guān)重要；具有RISC技術(shù)和CISC高速數(shù)字信號(hào)處理性能的優(yōu)點(diǎn)，適合在任務(wù)管理和高速運(yùn)算并存時(shí)應(yīng)用[6]。

2SysLink

由于OMAPL138獨(dú)特的異構(gòu)雙核結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)啟動(dòng)后雙核單獨(dú)運(yùn)行，這樣就存在雙核運(yùn)行速度不協(xié)調(diào)的問題。利用異構(gòu)多核軟件開發(fā)工具包SysLink，可以使雙核配合工作達(dá)到更好的狀態(tài)，發(fā)揮其更強(qiáng)的處理能力。廣義上的SysLink包含了運(yùn)行在HLOS(Higher Level Operating System)上的SysLink Product和運(yùn)行在RTOS(Real Time Operating System)上的IPC Product，SysLink提供了豐富的核間通信機(jī)制(如MessageQ、RingIO等)[7]。其中，MessageQ用于多核間的可變長(zhǎng)度消息數(shù)據(jù)塊通信，RingIO提供基于數(shù)據(jù)流的環(huán)形緩沖區(qū)。

圖2　控制器總體框圖

3雙核調(diào)試

雙核調(diào)試在開發(fā)過程中占據(jù)大量的時(shí)間[8]，有效的調(diào)試方法會(huì)提高開發(fā)效率。 GDB和CCS相結(jié)合的動(dòng)態(tài)調(diào)試法程序運(yùn)行可控性強(qiáng)，調(diào)試時(shí)的靜態(tài)界面如圖1所示。 ARM端用GDB+GDBServer工具，DSP端采用CCS開發(fā)環(huán)境，調(diào)試主機(jī)LinuxPC和目標(biāo)板之間用網(wǎng)口、串口和JTAG相連，CCS通過JTAG連接DSP端，使用二進(jìn)制文件進(jìn)行DSP端子程序調(diào)試；GDB通過網(wǎng)絡(luò)與ARM端運(yùn)行的GDBServer交互，獲取ARM子程序運(yùn)行狀態(tài)，使用二進(jìn)制文件進(jìn)行調(diào)試，更進(jìn)一步，可以通過Console端口配置CCS對(duì)ARM子程序進(jìn)行調(diào)試。

圖1　雙核調(diào)試靜態(tài)界面

調(diào)試具體流程是：①ARM加載SysLink模塊；②ARM用slaveloader啟動(dòng)DSP程序；③PC用CCS加載DSP程序的Debug符號(hào)symbols；④ARM啟動(dòng)GDBServer并加載ARM程序；⑤PC連接GDBServer并加載ARM程序的Debug符號(hào)symbols；⑥PC通過GDB和CCS在適當(dāng)位置設(shè)置斷點(diǎn)開始調(diào)試。

4控制器設(shè)計(jì)

4.1控制器系統(tǒng)

ARM926EJ-S內(nèi)核為主處理器，運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，引導(dǎo)、加載從處理器DSP、驅(qū)動(dòng)外圍設(shè)備，負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)指令的接收與分發(fā)、熱像和激光上電。TMS320C674x內(nèi)核運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)SYSBIOS和復(fù)雜的控制算法，輸出信號(hào)控制電機(jī)，與系統(tǒng)其他單元共同實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定瞄線、搜索、跟蹤目標(biāo)。有了ARM主控制器，DSP就從復(fù)雜的系統(tǒng)控制中解脫出來，處理更復(fù)雜的算法和大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算。

控制器總體框圖如圖2所示。

NAND Flash采用512M、8位K9F4G08U0D，用于存儲(chǔ)bootloader、啟動(dòng)時(shí)系統(tǒng)環(huán)境變量、Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)；DDR2采用128 MB、16位400 MHz MT47H64 M16HR，用于軟件運(yùn)行空間；雙串口擴(kuò)展芯片TL16CP754CIPM的8通道 RS422串口具有EMIF總線接口方式，傳輸速度快、實(shí)時(shí)性高。GPIO給熱像、激光上電；專用芯片AD2S80采集旋變信號(hào)，16位、8通道AD7606采集測(cè)速機(jī)和陀螺的信號(hào)，精度高、噪聲低；輸出PWM經(jīng)過放大驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)；接口有仿真調(diào)試JTAG、串口終端、調(diào)試RS232、RJ45 網(wǎng)口。

4.2共享內(nèi)存通信

核間消息傳遞與數(shù)據(jù)交換采用共享內(nèi)存的方式實(shí)現(xiàn)。OMAPL138用makefile機(jī)制與XDC構(gòu)建系統(tǒng)，Linux在運(yùn)行時(shí)通過內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)來配置由內(nèi)核管理的內(nèi)存空間，SYSBIOS在構(gòu)建時(shí)采用XDC配置文件進(jìn)行數(shù)據(jù)區(qū)、代碼區(qū)等內(nèi)存區(qū)的分配[9]。系統(tǒng)構(gòu)建與運(yùn)行時(shí)需要對(duì)各個(gè)核所使用的內(nèi)存以及共享內(nèi)存進(jìn)行劃分。128 MB DDR2物理內(nèi)存劃分和映射情況如圖3所示，16 MB的ARM/DSP共享內(nèi)存用于核間通信。

圖3　雙核通信內(nèi)存分配

圖4　跟蹤模式流程圖

設(shè)置內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)為：setenv bootargs root=/dev/nfs rw，nfsroot=192.168.115.131:/home/smile/omapl138/nfs，

nfsaddrs=192.168.115.123:192.168.115.131:192.168.115.2:255.255.255.0，console=ttys2,115200n8 mem=32M@

0xc0000000mem=64M@0xc4000000。

核間通信使用SysLink的MessageQ進(jìn)行消息傳輸，RingIO進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。MessageQ是單向傳輸，每個(gè)消息隊(duì)列可以有多個(gè)寫者，但只能有一個(gè)讀者。劃分SR0Ipc用于雙方消息傳輸，建立一個(gè)從ARM到DSP的消息隊(duì)列和一個(gè)從DSP到ARM的消息隊(duì)列；RingIO也是單向傳輸，僅支持一個(gè)讀和一個(gè)寫，分配SR1內(nèi)存用于ARM到DSP的數(shù)據(jù)緩存，SR2用于DSP到ARM的數(shù)據(jù)緩存。

4.3跟蹤模式實(shí)現(xiàn)

光電任務(wù)載荷具有收藏、手動(dòng)、掃描、跟蹤、鎖定、搜索等模式，跟蹤模式的工作過程復(fù)雜，通信數(shù)據(jù)量大，下面以跟蹤模式的實(shí)現(xiàn)為例。

控制器基于CS架構(gòu)(客戶端服務(wù)器模型)，ARM端是客戶端，DSP是服務(wù)端。ARM端為數(shù)據(jù)管理中心，接收和分發(fā)電視、熱像傳感器的視場(chǎng)、跟蹤器跟蹤偏差、地面站操控指令、旋變俯仰方位位置量。DSP端采集測(cè)速機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)、陀螺速率信號(hào)、旋變位置信號(hào)，處理數(shù)據(jù)并運(yùn)行先進(jìn)的穩(wěn)定控制算法和自抗擾控制算法。核間通信MessageQ接收消息，調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)進(jìn)行分發(fā)，接收消息后RingIO把數(shù)據(jù)寫入緩存區(qū)或從緩存區(qū)讀取數(shù)據(jù)。跟蹤模式流程如圖4所示。

具體步驟如下：

① ARM端初始化，接收電視、熱像的視場(chǎng)值、地面站的跟蹤指令，發(fā)送跟蹤指令到跟蹤器，接收跟蹤偏差量，將跟蹤指令、視場(chǎng)、漂移補(bǔ)償、跟蹤偏差量、傳感器切換寫入SR1；DSP端初始化，等待接收ARM端發(fā)送的消息；

② ARM端將從SR1讀取數(shù)據(jù)、使能指令寫入Host Message queue消息隊(duì)列，發(fā)送到DSP端,等待接收DSP端發(fā)送的消息；

③ DSP端接收消息，伺服使能，采集旋變、測(cè)速機(jī)、陀螺信號(hào)，從SR1讀取數(shù)據(jù)；

④ DSP端進(jìn)入跟蹤模式，獲得自動(dòng)跟蹤角偏差量，自動(dòng)跟蹤控制運(yùn)算，將跟蹤量、速率量、轉(zhuǎn)速量和位置量利用加法器求和，運(yùn)行穩(wěn)定控制算法，通過陀螺穩(wěn)定回路和位置穩(wěn)定回路控制內(nèi)環(huán)，測(cè)速控制回路和位置控制回路控制外環(huán)，并輸出電機(jī)控制量；

⑤ DSP端將跟蹤模式、視場(chǎng)值、位置量寫入SR2中；

⑥ DSP端將從SR2讀取數(shù)據(jù)指令寫入Slave Message queue消息隊(duì)列，發(fā)送給ARM端；

⑦ ARM端接收消息，從SR2中讀取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面站和跟蹤器；雙核循環(huán)執(zhí)行這個(gè)步驟。

4.4控制器性能

OMAPL138控制器與PowerPC+DSP控制器性能對(duì)比如表1所列，雙核通信過程中 MessageQ單向發(fā)送時(shí)間約80 μs。

表1　控制器性能對(duì)比結(jié)果

結(jié)語

本文采用OMAPL138設(shè)計(jì)的光電任務(wù)載荷控制器，

參考文獻(xiàn)

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王馬強(qiáng)(助理工程師)，主要從事光電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。

Photoelectric Payload Controller Based on OMAPL138

Wang Maqiang,Wang Huilin,Bian Yun,Jiang Shizhou,Feng Tao

(Xi’an Institute of Applied Optics,Xi’an 710065,China)

Abstract：Aiming at the requirements of lightweight,miniaturization and high performance of UAV photoelectric payload,a photoelectric payload controller with multi-task management and servo control function is designed, which is based on dual-heterogeneous OMAPL138 DSP+ARM processor.The 8-channel serial port is extended with the EMIF bus interface.the dynamic dual core debugging method is used which combines GDB and CCS,and the inter-core communication is realized by message queue and circular buffer.The design completes the efficient and accurate control of the photoelectric payload.On one hand, the design improves the volume and power consumption of the controller,on the other hand,it improves the speed and reliability of the communication.It has certain engineering application value.

Key words:OMAPL138;Syslink;dual-core communication;photoelectric payload controller

中圖分類號(hào):TP273.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

收稿日期：(責(zé)任編輯：楊迪娜2016-02-02)