基于DSP的測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

王 偉,徐 平,林德福,張 健

(1.北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,北京 100081;2.中國兵器工業(yè)集團(tuán)西北工業(yè)集團(tuán)有限公司,陜西西安 710043）

彈載計(jì)算機(jī)[1](文中簡稱測控系統(tǒng))是戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈飛行控制系統(tǒng)的核心,是實(shí)施導(dǎo)彈發(fā)射和飛行控制的“指揮中樞”,其主要任務(wù)是控制導(dǎo)彈按預(yù)定彈道穩(wěn)定飛行,直至準(zhǔn)確命中目標(biāo),并在飛行過程中控制彈上各系統(tǒng)進(jìn)行工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,以及協(xié)調(diào)各系統(tǒng)之間的信號傳遞.其性能好壞直接關(guān)系到制導(dǎo)的精度和對目標(biāo)的殺傷概率.

測試控制計(jì)算機(jī)要求具有高精度、小型化、實(shí)時性、可靠性、嵌入式[2]等特點(diǎn).隨著芯片的制造工藝的進(jìn)步,集成眾多的片上系統(tǒng)芯片性能增強(qiáng),外部電路精簡.其中DSP以其強(qiáng)大的指令系統(tǒng)及接口功能顯示出功能完善、運(yùn)算速度快、開發(fā)方便等方面的優(yōu)勢[3].能夠有效解決運(yùn)算速度和體積的矛盾.實(shí)時性要求對輸入的導(dǎo)航數(shù)據(jù)以最快的速度處理并以最小的延時輸出控制信號.可靠性要求系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng),要有較寬的工作溫度范圍和抗電磁干擾能力強(qiáng).嵌入性要求盡量輕、體積小.這些條件在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時都要綜合考慮以達(dá)到最優(yōu)化的性能設(shè)計(jì).

1 系統(tǒng)綜述

文中基于DSP28335[4]設(shè)計(jì)的測試控制系統(tǒng),可以根據(jù)GPS定位信息,雙軸加速度計(jì)和三軸角速度陀螺輸出信號,實(shí)現(xiàn)多種控制策略和控制算法,并可以通過外擴(kuò)將FLASH存儲飛行過程中的數(shù)據(jù)記錄下來,通過USB接口或者串口讀取導(dǎo)彈飛行過程中的試驗(yàn)數(shù)據(jù),便于分析試驗(yàn)結(jié)果.

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

2.1 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求

測試控制系統(tǒng)一般采取模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),包括核心控制模塊、信號調(diào)理模塊、以及數(shù)據(jù)存儲模塊等.核心控制模塊應(yīng)該達(dá)到以下要求:

1)具有低功耗模式,具備多種串行外設(shè),大的容量程序存儲空間以便于滿足復(fù)雜控制軟件的開發(fā);執(zhí)行效率高便于滿足計(jì)算量很大的控制任務(wù).

2)具有多路模擬信號的高精度采集能力,采集雙軸加速度計(jì),三軸角速率陀螺,溫度傳感器,電源電壓等信號.

3)具有開關(guān)量離散信號、模擬信號和 PWM脈沖等,控制信號的輸入、輸出能力,以適應(yīng)不同控制信號的需求.

只有滿足上述要求的核心控制模塊才能夠滿足復(fù)雜的測試控制系統(tǒng)的需求.

2.2 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)硬件電路包括信號處理模塊,信號調(diào)理和接口模塊(具體包括前端數(shù)據(jù)采集,捕獲單元,放大驅(qū)動舵機(jī)模塊,串口接口等),數(shù)據(jù)存儲模塊等.具體控制方案系統(tǒng)圖見圖1.

圖1 控制系統(tǒng)方案組成圖Fig.1 The d iagram of control system com ponents

3 信號處理模塊設(shè)計(jì)

測試控制計(jì)算機(jī)需要在很短時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集,數(shù)字濾波,實(shí)現(xiàn)預(yù)訂算法等大量的工作,要求測控計(jì)算機(jī)具有很高的運(yùn)算速度,同時,為滿足體積、質(zhì)量以及功耗的要求,微處理器體積要小,而且具有很強(qiáng)的接口功能.本系統(tǒng)采用了T I公司的32位浮點(diǎn)型 TMS320F28335[5-6]作為系統(tǒng)的CPU.

TMS320F28335的基本特點(diǎn)[7-8]如下:

1)具有高速的浮點(diǎn)運(yùn)算能力,高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù),指令周期為6.67 ns,主頻達(dá)150 MHz.

2)片上RAM 68 k*16 bit,片上FLASH 256 k*16 bit.

3)增強(qiáng)型的外設(shè)模塊:3個32位的定時器,18個PWM輸出,包含6個高分辨率的脈寬調(diào)制模塊(HRPWM),6個事件捕獲輸入,2通道的正交調(diào)制模塊.

4)串行外設(shè)為2通道CAN模塊,3通道SCI模塊,2個McBSP(多通道緩沖串行接口)模塊,1個SPI模塊,1個I2C主從兼容的串行總線接口模塊.

5)12位的AD轉(zhuǎn)換器具有16個轉(zhuǎn)換通道,2個采樣保持器,內(nèi)外部參考電壓,轉(zhuǎn)化速度為80 ns,同時支持多通道轉(zhuǎn)換.

6)低功耗模式,1.9 V內(nèi)核,3.3 VIO供電.

7)符合IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)的片內(nèi)掃描仿真接口JTAG.

信息處理模塊[9-10]的這些基本特點(diǎn)能夠滿足控制系統(tǒng)的需求,尤其由于主芯片TMS320F28335的浮點(diǎn)架構(gòu),它大大減小了編程難度,采用哈佛流水線結(jié)構(gòu),能夠快速執(zhí)行中斷響應(yīng),并具有統(tǒng)一的內(nèi)存管理模式,可用C/C++語言實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法.信號處理模塊的電源部分如圖2所示.電源轉(zhuǎn)換電路提供的+3.3 V給信號處理模塊的IO供電,+1.8 V給CPU供電.

4 信號調(diào)理及接口模塊設(shè)計(jì)

圖2 信號處理模塊電源電路Fig.2 The pow er supply circuit of Signal p rocessingmodule

信號調(diào)理及接口模塊包括AD采集模塊,485模塊,232轉(zhuǎn)換模塊,輸出控制模塊等.

4.1 AD采集模塊

AD采集模塊的芯片選用外部轉(zhuǎn)換器AD1674,AD1674是美國模擬器件公司(Analog Device)生產(chǎn)的12位逐次逼近型快速A/D轉(zhuǎn)換器.AD1674的基本特點(diǎn):

1)帶有內(nèi)部采樣保持的完全12位逐次逼近(SAR)型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器;

2)采樣頻率為100 kH z,轉(zhuǎn)換時間為10μs;

3)具有 ±1/2LSB的積分非線性(INL)以及 12位無漏碼的差分非線性(DNL);

4)滿量程校準(zhǔn)誤差為0.125%;

5)4種單極或雙極電壓輸入范圍分別為5 V,10 V,0～10 V和0～20 V;

6)數(shù)據(jù)可并行輸出,采用8/12位可選微處理器總線接口;

7)內(nèi)部帶有防靜電保護(hù)裝置(ESD),放電耐壓值可達(dá)4 000 V.

采集模塊的系統(tǒng)方塊圖如圖3所示.

4.2 串口通信模塊

本系統(tǒng)中僅用了兩個串口單元,一個為232單元,另一個為485單元,如果在使用的過程中運(yùn)用到更多的串口中斷,可以采用TI的TL16C554擴(kuò)展串行口,TL16C554集成度高,性能穩(wěn)定.在系統(tǒng)中,232模塊用于GPS之間的數(shù)據(jù)傳輸,得到導(dǎo)彈在飛行過程中的經(jīng)度,緯度,高度,以及速度.RS485模塊用于無線傳輸模塊與核心處理模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸,如目標(biāo)特性等.使用國際標(biāo)準(zhǔn)的 RS485差分方式,使通訊的速率和通訊距離均大于RS232的標(biāo)準(zhǔn)接口方式,并且用線最少.RS232模塊的基本電路如圖4所示.

485模塊的基本電路如圖5所示.

圖3 采集模塊系統(tǒng)原理框圖Fig.3 The block diagram of Acquisition modulesystem

圖4 232模塊基本電路圖Fig.4 Basic circuitm odule 232

圖5 485模塊基本電路圖Fig.5 Basic circuitm odule 485

圖6 光耦TLP521-1基本電路圖Fig.6 Optocoupler TLP521-1 Basic circuit diagram

4.3 輸出控制模塊

輸出控制模塊主要是用于驅(qū)動舵機(jī)工作,因?yàn)橹餍酒?TMS320F28335通過 PWM調(diào)制后輸出 4路脈寬可調(diào)信號,經(jīng)過光耦后將電壓調(diào)整到12 V,從而驅(qū)動舵機(jī).彈上電磁環(huán)境差,控制參數(shù)多,各種傳感器,電源,舵機(jī)系統(tǒng)組合較復(fù)雜,當(dāng)各種噪聲及干擾對系統(tǒng)的影響采用濾波法不能有效抑制時,必須采用光電隔離的方法,從而抑制干擾信號的影響.光耦選用TI公司的4路光耦TLP521-4,該芯片是由 4路光耦組合而成,故給出其中一路光耦應(yīng)用信號.

5 存儲模塊設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中,飛行過程中的雙軸加速度計(jì),三軸角速率陀螺輸出信號,GPS信號,無線傳輸模塊的信號以及中間解算出的有關(guān)彈體姿態(tài)和輸出舵機(jī)的控制指令等大量數(shù)據(jù)都需要實(shí)時記錄,因此,設(shè)計(jì)大容量存儲的存儲模塊是很有實(shí)際意義的.目前,基于 NAND技術(shù)的FLASH具有很大容量,在本系統(tǒng)中,選用了K9F6408U 0M存儲器.該存儲器的主要性能包括檢錯(對FLASH內(nèi)部壞扇區(qū)的檢測)、寫操作(寫入數(shù)據(jù))、讀操作(從FLASH中讀出數(shù)據(jù))、空間管理和擦除操作.

圖7 主芯片與存儲器連接示意圖F ig.7 Them ain ch ip and the m em ory connection diagram

6 結(jié) 論

經(jīng)過測試試驗(yàn),該測試控制系統(tǒng)信號處理單元在0.2ms內(nèi)完成過載指令計(jì)算,解算準(zhǔn)確快速,能夠?qū)ν獠總鞲衅餍盘栒鎸?shí)準(zhǔn)確地記錄并加以運(yùn)用,GPS與測控計(jì)算機(jī)通信正常,無線傳輸模塊在地面和彈上均工作正常,測控系統(tǒng)解算生成的控制指令實(shí)時分配給舵機(jī),舵機(jī)產(chǎn)生的有效力與理論設(shè)計(jì)誤差小于0.1%.試驗(yàn)表明,本設(shè)計(jì)方案采用的測控系統(tǒng)在姿態(tài)解算方面與T IDSP6713具有類似的浮點(diǎn)解算能力特點(diǎn)的同時成本要低15倍左右,具備精度高,成本低的特點(diǎn);測控系統(tǒng)可以同時滿足外部多種傳感器,較同類的單片機(jī)要功能全面,處理速度高,實(shí)時性好;測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)平臺很廣,可以迅速推廣到 TI系列的MSP430單片機(jī)系列和TI工業(yè)控制類的 TI2000系列,通用性好;由于測控系統(tǒng)封裝簡單,因此比DSP6713等工藝簡單,兩層板即滿足要求,同時體積較小,在 Φ40的空間下即可完整裝置,工作電流在100 mA以內(nèi),小型化,低功耗.

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