基于DSP的多通道彈載數(shù)據(jù)記錄儀的設(shè)計(jì)*

王 琦,杜力力,李永紅

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,太原 030051)

0 引言

為適應(yīng)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)要求,常規(guī)彈藥的信息化、制導(dǎo)化已作為武器裝備信息化的重要組成部分,制導(dǎo)炮彈與常規(guī)炮彈的主要差別是彈丸上裝有制導(dǎo)系統(tǒng)和可供驅(qū)動(dòng)的彈翼或尾舵等空氣動(dòng)力裝置。文中是利用彈載數(shù)據(jù)記錄儀具有的體積微小、抗高沖擊過載能力、微小功耗、測(cè)試精度高等特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了對(duì)于短程制導(dǎo)兵器研制中動(dòng)態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)試記錄。

設(shè)計(jì)以DSP為主控單元,能夠?qū)崿F(xiàn)20路模擬信號(hào),10路 TT L信號(hào)及一路232信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣,采樣頻率的選擇由硬件實(shí)現(xiàn),可實(shí)現(xiàn)多種采樣頻率選擇。對(duì)模擬信號(hào)的采樣由DSP內(nèi)部12位ADC完成,產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將保存在FLASH存儲(chǔ)器中并在回收后由通信模塊發(fā)給上位機(jī)。由于采用了FLASH存儲(chǔ)器,因此無需備用電源。系統(tǒng)采用整體結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì),體積小、抗沖擊過載能力強(qiáng)。系統(tǒng)在要求的環(huán)境下均能準(zhǔn)確記錄炮彈內(nèi)的信號(hào),為分析炮彈的飛行參數(shù)和故障的定位起到了重要作用。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。由圖1可知,整個(gè)系統(tǒng)主要由主控模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、采樣時(shí)序控制模塊、通信模塊組成。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)在上電后將在主控模塊的控制下首先進(jìn)行各功能模塊的配置,在各功能配置完成之后,將進(jìn)入待觸發(fā)狀態(tài),整個(gè)采集過程將由觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)。采集啟動(dòng)后,各通道的模擬信號(hào)在模擬開關(guān)的控制下將以時(shí)序發(fā)生器要求的頻率經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后進(jìn)入DSP內(nèi)部ADC,經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)將和 TT L信號(hào)以及232信號(hào)一同被儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中。數(shù)據(jù)在系統(tǒng)回收后經(jīng)通信模塊發(fā)至PC機(jī)進(jìn)行處理。

2 系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)

2.1 主控邏輯模塊

控制邏輯由32位微處理器和接口部分組成,完成對(duì)信號(hào)采樣時(shí)序控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和通信模塊的控制。主控制器件由TI公司的帶12位ADC的32位微處理器DSP構(gòu)成,32位的DSP整合了DSP和微控制器的最佳特性[1],可以很好的完成整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。整個(gè)采集過程中,包含兩種中斷,即ADC中斷和串口接收中斷,數(shù)據(jù)的采集及編碼即是在DSP中斷中實(shí)現(xiàn)的。

系統(tǒng)時(shí)鐘的高低決定了記錄儀功耗的大小,因此在允許的情況下要盡可能的降低DSP主時(shí)鐘頻率。本設(shè)計(jì)中對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘要求最苛刻的地方就是對(duì)FLASH寫操作,因?yàn)镕LASH的寫操作是以頁為單位,寫一頁的時(shí)間為ms數(shù)量級(jí),在采用乒乓操作的情況下,經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)后,選定DSP主時(shí)鐘頻率為40M,這樣整個(gè)系統(tǒng)工作的最高功耗控制在140mA左右。

2.2 采樣時(shí)序控制模塊

系統(tǒng)采樣時(shí)序由DSP產(chǎn)生時(shí)序發(fā)生器的復(fù)位信號(hào)及20K的時(shí)鐘信號(hào),時(shí)序發(fā)生器的輸出再控制模擬開關(guān)。由于ADC真正的轉(zhuǎn)換時(shí)間很短,因此20K時(shí)鐘信號(hào)占空比并不是1∶1,而是將轉(zhuǎn)換時(shí)間縮短,而留給模擬開關(guān)穩(wěn)定的時(shí)間很長(zhǎng),這樣可以最大限度的避免串?dāng)_的影響。如圖2所示,時(shí)序發(fā)生器在20K_DSP的上升沿啟動(dòng)轉(zhuǎn)換,下降沿輸出變化。

圖2 采樣時(shí)序圖

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,DSP的三個(gè)ADC通道作為一個(gè)采樣序列,每個(gè)通道的采樣頻率為20K。其中16路模擬信號(hào)通過模擬開關(guān)后進(jìn)入DSP通道1,實(shí)際每路采樣率為20/16=1.25K;四路模擬信號(hào)通過模擬開關(guān)后進(jìn)入DSP通道2,實(shí)際每路采樣率為20/4=5K;一路模擬信號(hào)直接進(jìn)入DSP通道3,采樣率為20K,TT L信號(hào)在一個(gè)采樣序列結(jié)束時(shí)進(jìn)行一次采樣,因此采樣率為20K。

2.3 FLASH存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊由存儲(chǔ)器芯片和處理器接口組成。存儲(chǔ)器芯片選擇FLASH存儲(chǔ)芯片,FLASH存儲(chǔ)器是非易失性的,掉電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失,具有功耗低、擦寫速度快、壽命長(zhǎng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)[2]。處理器通過接口部分完成對(duì)FLASH存儲(chǔ)器芯片的讀、寫等控制操作。

由于工藝等原因,FLASH芯片在出廠時(shí)就有可能存在無效塊,使用過程中也可能產(chǎn)生無效塊。如果對(duì)FLASH中的無效塊進(jìn)行操作,FLASH反饋的狀態(tài)信息不穩(wěn)定,可能使軟件進(jìn)入死循環(huán),更為重要的是無效塊會(huì)在數(shù)據(jù)記錄的過程中造成數(shù)據(jù)的丟失和誤碼,影響數(shù)據(jù)的有效性和完整性,進(jìn)而影響整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的性能。因此必須在使用前對(duì)FLASH進(jìn)行無效塊檢查,避免對(duì)無效塊的操作[3]。下面給出一種可以實(shí)現(xiàn)無效塊地址實(shí)時(shí)更新的方法。

本設(shè)計(jì)通過發(fā)送固定指令,讀取特定位置的壞塊信息,調(diào)用FLASH內(nèi)部的BLOCK0存儲(chǔ)器區(qū)間存儲(chǔ)無效塊信息,規(guī)定BLOCK0中的數(shù)據(jù)即為無效塊的地址。在BLOCK0中建立無效塊地址列表,在數(shù)據(jù)采集過程中的讀、寫、擦過程中都需先將當(dāng)前塊地址與無效快地址列表進(jìn)行對(duì)比,如果當(dāng)前塊為無效塊,選擇下一塊進(jìn)行同樣操作,同時(shí)將此塊的塊地址寫入無效塊地址列表中,有效保證了無效塊列表的動(dòng)態(tài)更新。

2.4 通信模塊

串行數(shù)據(jù)通信以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在當(dāng)今工程應(yīng)用中占有非常重要的地位,DSP提供了可方便與計(jì)算機(jī)或其他串行設(shè)備連接的異步通信口。由于232總線存在共地噪聲、傳輸距離短、傳輸速率低、抗干擾能力差等問題,因此通信模塊采用RS-485串行接口總線標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)記錄儀與PC機(jī)的全雙工通信。

RS-485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收,即在發(fā)送端,驅(qū)動(dòng)器將T TL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)輸出;在接收端,接收器將差分信號(hào)變成TTL電平,因此具有很強(qiáng)的抑制共模干擾的能力,而且接收器具有高的靈敏度,能檢測(cè)低達(dá)200mV的電壓,最大傳輸速率達(dá)到10Mb/s[3]。由于在收發(fā)軟件的設(shè)計(jì)中加入了握手機(jī)制,因此串口在大量讀數(shù)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)丟數(shù)現(xiàn)象。

3 數(shù)據(jù)編碼及幀格式

由于數(shù)據(jù)記錄儀是對(duì)31路信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ),為了讀數(shù)后數(shù)據(jù)分析的方便,就要在存儲(chǔ)時(shí)對(duì)這31路數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼區(qū)分。數(shù)據(jù)編碼的主要作用是:將31路采集數(shù)據(jù)組合成一路經(jīng)過編碼的數(shù)據(jù)幀,以方便存儲(chǔ)到FLASH存儲(chǔ)器。

幀格式:具體定義了存儲(chǔ)的每一幀的數(shù)據(jù)格式,也就是有效數(shù)據(jù)、幀計(jì)數(shù)寫入存儲(chǔ)模塊的具體順序。幀格式的定義方便了讀數(shù)后的數(shù)據(jù)分析以及錯(cuò)誤幀檢查。

4 匹配試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 彈體內(nèi)部開關(guān)信號(hào)

由以上部分測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出,系統(tǒng)準(zhǔn)確地記錄了載體內(nèi)的重要信號(hào),性能穩(wěn)定,數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性較好,完全符合設(shè)計(jì)的要求。

5 結(jié)論

文中完整地介紹了某型制導(dǎo)武器彈載數(shù)據(jù)記錄儀的設(shè)計(jì)和研制,并且成功地運(yùn)用于實(shí)際測(cè)試中。從樣機(jī)的運(yùn)行結(jié)果來看,系統(tǒng)完整地記錄下了彈上的關(guān)鍵數(shù)據(jù),完全達(dá)到了彈載數(shù)據(jù)記錄儀各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求,為日后制導(dǎo)兵器測(cè)試彈的研制打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]蘇奎峰,呂強(qiáng),常天慶,等.TMS320X281XDSP原理及C程序開發(fā)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

[2]NAND Flash Applications Design Guide[Z].System Solutions from Toshiba America Electronic Components,Inc.Revision 1.0 April 2003.

[3]林穎,羅金炎,劉驕,等.基于RS485總線的PC機(jī)與多單片機(jī)系統(tǒng)的串行通信[J].機(jī)械與電子,2006(1):34-37.