DSP在魚雷捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳瑜 李經(jīng)

（海軍駐719所軍事代表室，武漢 430064）

0 引言

為了保證魚雷按戰(zhàn)術(shù)要求的軌跡準(zhǔn)確運(yùn)動，提高魚雷命中率，導(dǎo)航與控制系統(tǒng)是現(xiàn)代魚雷不可缺少的重要組成部分[1]。目前，魚雷上采用的導(dǎo)航系統(tǒng)主要是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。慣導(dǎo)是一種自主式的導(dǎo)航方法，它完全依靠魚雷自載設(shè)備自主的完成導(dǎo)航任務(wù)，其基本原理是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，基于對魚雷加速度的測量，將加速度進(jìn)行一次積分得到魚雷的速度，再作一次積分得到魚雷相對于地球的位置（即緯度、經(jīng)度和深度）。慣導(dǎo)平臺模擬一個(gè)選定的導(dǎo)航坐標(biāo)系，若在平臺坐標(biāo)系安裝三個(gè)加速度計(jì)，就可測得魚雷三個(gè)加速度的分量，再根據(jù)導(dǎo)航坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系的關(guān)系便可建立計(jì)算導(dǎo)航參數(shù)的方程。

1 魚雷捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

從結(jié)構(gòu)上來說可把慣導(dǎo)分成兩大類：一類是平臺式慣導(dǎo)；另一類是捷聯(lián)式慣導(dǎo)[2]。捷聯(lián)式慣導(dǎo)通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字平臺來替代實(shí)體平臺，具有可靠性高、體積小、價(jià)格相對便宜的優(yōu)點(diǎn)。其原理圖如下圖1所示：

圖1 捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)原理框圖

在捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，由于慣性儀表直接安裝在魚雷上，魚雷的動態(tài)環(huán)境，特別是它的角運(yùn)動，將直接影響慣性儀表。因此，捷聯(lián)式系統(tǒng)的慣性儀表動態(tài)誤差要比平臺大得多，必須予以補(bǔ)償。捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理如圖2所示。

捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在開始導(dǎo)航之前，必須進(jìn)行初始對準(zhǔn)，也就是力圖在計(jì)算機(jī)中建立一個(gè)準(zhǔn)確地描述雷體坐標(biāo)系和當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系之間的方向矩陣，常用的方法有自主式和受控式兩種。

圖2 捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理

對于自主式初始對準(zhǔn)方法，首先進(jìn)行粗對準(zhǔn)，其特點(diǎn)是對準(zhǔn)速度快，但對準(zhǔn)精度較低；然后進(jìn)行精對準(zhǔn)，其特點(diǎn)是對準(zhǔn)速度慢，但對準(zhǔn)精度高。

在魚雷上，為了提高魚雷武器系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間，一般采用受控式初始對準(zhǔn)方法，即將艦艇上的慣性導(dǎo)航信息通過傳遞對準(zhǔn)的方法傳遞到魚雷，從而可以大大縮短魚雷上捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的初始對準(zhǔn)時(shí)間。從計(jì)算方面來看，捷聯(lián)慣性導(dǎo)航在計(jì)算上是很復(fù)雜的，需要相當(dāng)?shù)挠布С值靡詫?shí)現(xiàn)，但是從其他方面來看，由于去掉了穩(wěn)定平臺，使得捷聯(lián)慣性導(dǎo)航具有：結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、容易制造、體積小、重量輕、成本低等特點(diǎn)[3,4]。所以，捷聯(lián)慣性導(dǎo)航利用數(shù)學(xué)上的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的簡化，由此帶來了工程技術(shù)上的優(yōu)越性，對于魚雷這種戰(zhàn)術(shù)制導(dǎo)武器，很適合于采用這種技術(shù)。

2 DSP技術(shù)介紹

可編程DSP芯片的開發(fā)利用完善的軟、硬件開發(fā)工具[5]對DSP程序及系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，使之能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。TMS320系列DSP芯片的系統(tǒng)集成和調(diào)試工具主要有：C/匯編語言源碼調(diào)試器、初學(xué)者工具DSK（Designer Starter Kit）、軟件模擬器（Simulator）、評估模塊 EVM（Evaluation Module）、軟件開發(fā)系統(tǒng) SWDS（Software Developing System）和仿真器 XDS（eXtended Developing System）等。

各主要的DSP生產(chǎn)商都為 DSP的開發(fā)調(diào)試提供了集成開發(fā)環(huán)境。為達(dá)到快速進(jìn)行數(shù)字信號處理的目的，DSP芯片一般具有與普通CPU不同的特殊硬件結(jié)構(gòu)：（1）哈佛結(jié)構(gòu)：哈佛結(jié)構(gòu)是并行體系結(jié)構(gòu)，主要特點(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個(gè)相互獨(dú)立的存儲器，每個(gè)存儲器獨(dú)立編址，獨(dú)立訪問。與兩個(gè)存儲器相對應(yīng)的是系統(tǒng)中設(shè)置了程序總線和數(shù)據(jù)總線兩條總線，從而使數(shù)據(jù)吞吐量提高了一倍。在哈佛結(jié)構(gòu)中，程序和數(shù)據(jù)存儲器在兩個(gè)分開的空間中，取址與執(zhí)行完全重疊運(yùn)行；（2）流水線操作：與哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)，DSP芯片廣泛采用流水線，以減少指令執(zhí)行時(shí)間，增強(qiáng)了處理器的處理能力；（3）專用的硬件乘法器：乘法可以在一個(gè)指令周期內(nèi)完成；（4）特殊的DSP指令：DSP芯片使用專門用于數(shù)字信號處理的特殊指令；（5）快速的指令周期：哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的DSP指令，再加上集成電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使DSP芯片實(shí)現(xiàn)很多實(shí)時(shí)計(jì)算的應(yīng)用。

3 魚雷捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的DSP設(shè)計(jì)

3.1 慣導(dǎo)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航理論，我們可以對魚雷的慣導(dǎo)系統(tǒng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，我們將整個(gè)慣導(dǎo)系統(tǒng)電路按功能分成三大模塊：計(jì)算機(jī)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通訊與控制接口模塊。計(jì)算機(jī)模塊負(fù)責(zé)全系統(tǒng)所有的計(jì)算和控制工作；數(shù)據(jù)采集子模塊負(fù)責(zé)從慣性器件采集數(shù)據(jù)；通訊與控制接口模塊負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)模塊與系統(tǒng)外其他設(shè)備的通訊工作和對魚雷航行控制機(jī)構(gòu)的控制工作。三大模塊之間通過總線進(jìn)行互連，如圖3所示，其核心為計(jì)算機(jī)模塊。計(jì)算機(jī)模塊電路由狀態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)恢復(fù)和計(jì)算機(jī)電路組成。

3.2 慣導(dǎo)系統(tǒng)計(jì)算模塊的電路設(shè)計(jì)

綜合捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的特點(diǎn)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，我們可選用 TI公司的 TMS320C32PCMA50（簡稱C32）作處理器。C32是32位高性能浮點(diǎn)數(shù)字信號處理器（DSP），與一般的 DSP芯片相比，C32在如下方面進(jìn)行了改進(jìn)，一是允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲器中，并被算術(shù)運(yùn)算指令直接引用；增強(qiáng)了芯片的靈活性；二是指令存儲在高速緩存器Cache中，當(dāng)執(zhí)行此指令時(shí)，不需要再從存儲器中讀取指令，節(jié)約了一個(gè)指令周期的時(shí)間。C32的運(yùn)算速度高達(dá)60MFLOPS（每秒百萬次浮點(diǎn)運(yùn)算）、25MIPS（每秒百萬次指令）。不論從速度上還是精度上，C32都完全滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

計(jì)算機(jī)模塊電路由狀態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)恢復(fù)和計(jì)算機(jī)電路組成。本模塊電路示意圖見圖4。

圖3 捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 模塊電路示意圖

根據(jù)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是歷史信息敏感型系統(tǒng)的特點(diǎn)，有必要對系統(tǒng)運(yùn)行的一些重要信息進(jìn)行保存，以便重啟后能迅速接替上以前的工作。為此，本系統(tǒng)采用了兩條措施：1、使用高速自動存儲對數(shù)據(jù)存儲器中的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。2、使用具有備份電源的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片記錄從上一次導(dǎo)航數(shù)據(jù)保存時(shí)刻到重啟后讀取導(dǎo)航歷史信息之間的時(shí)間長度。該實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片在主電源掉電后還能利用備份電源提供幾十秒的電能。系統(tǒng)恢復(fù)電路就由上述兩個(gè)芯片構(gòu)成。

該模塊的核心電路——計(jì)算機(jī)電路，由C32 DSP、SRAM、FLASH ROM和CPLD組成。為提高性能，采用32位數(shù)據(jù)總線、24位地址總線。C32設(shè)置成微機(jī)工作模式，具有自主引導(dǎo)功能。系統(tǒng)程序固化在FLASH ROM中，SRAM作數(shù)據(jù)存儲器。CPLD作為C32和外圍芯片的接口[6]，實(shí)現(xiàn)了很多邏輯電路功能；外圍芯片與C32連接需要一個(gè)唯一的I/O地址，在CPLD中設(shè)計(jì)了I/O地址分配電路，為每個(gè)外圍芯片分配I/O地址；C32本身的外部中斷源只有四級（個(gè)），而系統(tǒng)中需要通過中斷來執(zhí)行的程序又不止四個(gè)。通過采用中斷和查詢相結(jié)合的辦法解決了這個(gè)問題；同一級中斷中包括好幾個(gè)中斷源，在該級中斷響應(yīng)時(shí)再對具體的中斷源進(jìn)行查詢，以確定需要具體響應(yīng)哪個(gè)中斷源。因此，在CPLD中設(shè)計(jì)了中斷分配電路。對于啟動和運(yùn)行時(shí)間都很嚴(yán)格的中斷源，由各種頻率的時(shí)鐘信號對其進(jìn)行觸發(fā)。所以CPLD中還設(shè)計(jì)了時(shí)鐘發(fā)頻電路，用系統(tǒng)精準(zhǔn)時(shí)鐘分頻產(chǎn)生所需各種頻率的時(shí)鐘。

I/O地址分配電路、中斷分配電路和時(shí)鐘分頻電路這三個(gè)電路可用CPLD（復(fù)雜可編程器件）來實(shí)現(xiàn)。

3.3 慣導(dǎo)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

導(dǎo)航、制導(dǎo)計(jì)算都屬于實(shí)時(shí)計(jì)算，要實(shí)現(xiàn)這一要求，軟件就必須結(jié)合硬件來進(jìn)行設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮硬件的功能。我們可設(shè)計(jì)工作過程如下：

加電開機(jī)—FLASH中的程序調(diào)入內(nèi)存—系統(tǒng)初始化、自檢—導(dǎo)航信息恢復(fù)—安裝中斷程序— 打開中斷—待機(jī)。

軟件部分包括：主程序、子程序和各中斷響應(yīng)程序。主程序是系統(tǒng)程序的框架，重要初始化參數(shù)主要在主程序中定義，主程序通過調(diào)用子程序完成系統(tǒng)初始化、自檢、導(dǎo)航信息恢復(fù)、系統(tǒng)配置、中斷程序配置等功能。其中，系統(tǒng)自檢程序主要檢測CPU、SRAM、各接口芯片的工作是否正常。引導(dǎo)程序主要根據(jù)系統(tǒng)硬件中存儲的狀態(tài)信息確定導(dǎo)航計(jì)算的起點(diǎn)。主要狀態(tài)信息有：系統(tǒng)是加電開機(jī)還是死機(jī)后重起；上次保存數(shù)據(jù)與當(dāng)前時(shí)間間隔等。根據(jù)系統(tǒng)硬件中保存的狀態(tài)信息和非易失存儲器中保存的導(dǎo)航信息，確定當(dāng)前導(dǎo)航計(jì)算的基準(zhǔn)點(diǎn)。其主程序流程圖見圖5。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

5 結(jié)束語

捷聯(lián)慣性導(dǎo)航是一種很有應(yīng)用價(jià)值的慣性制導(dǎo)方法。魚雷作為一種主動攻擊的水中武器，正朝著大航程、高命中率方向發(fā)展，這就要求魚雷在航行中得到精確的定位和控制。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展迅速應(yīng)用于各種戰(zhàn)術(shù)武器中，通過用DSP芯片對慣性器件的信息進(jìn)行處理，用可編程器件進(jìn)行邏輯電路的實(shí)現(xiàn)，簡化了電路，其位置參數(shù)運(yùn)算不受魚雷加速度的影響，提高了系統(tǒng)的運(yùn)算性能、可靠性和靈活性，滿足魚雷精確制導(dǎo)的需要。

[1] 任克明, 李萬君, 林賀新. 水中兵器與戰(zhàn)爭[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1999.

[2] 袁信, 鄭諤. 捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航原理. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 1994.

[3] 周濤, 李勐, 光尾流自導(dǎo)魚雷探測信號仿真[J]. 艦船電子工程, 2009, 11, 172～175.

[4] 崔紹波, 賈躍, 趙學(xué)濤. 自導(dǎo)魚雷射擊禁區(qū)[J] 魚雷技術(shù) , 2008, 16（1）.

[5] 張雄偉, 曹軼勇. DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用（第二版）[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2002: 212—221.

[6] Daniel T. Maxwell. An Overview of the Joint Warface System （JWARS） [C]. Proceedings of the 2001 Winter Simulation Conference, 2001, 12.