基于DSP+FPGA的數(shù)字導(dǎo)彈飛控計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)

李銀海，王民鋼，孫傳新

（西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，陜西 西安 710072）

飛控計(jì)算機(jī)是現(xiàn)代導(dǎo)彈制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的核心裝置，其性能的好壞直接關(guān)系到精確制導(dǎo)的精度和殺傷目標(biāo)的概率[1]。近年來(lái)舵機(jī)、導(dǎo)引頭、慣導(dǎo)等彈載設(shè)備日益向著數(shù)字化方向發(fā)展，因此設(shè)計(jì)一種能兼容多數(shù)字式設(shè)備的通用飛控計(jì)算機(jī)平臺(tái)尤為重要。傳統(tǒng)的單處理器核心飛控計(jì)算機(jī)難以在多通道異步數(shù)據(jù)收發(fā)的同時(shí)保證數(shù)據(jù)處理速度，難以滿足現(xiàn)代導(dǎo)彈的要求[1]。本文提出了一種基于DSP+FPGA結(jié)構(gòu)，對(duì)外接口為422的通用數(shù)字飛控計(jì)算機(jī)平臺(tái)。此平臺(tái)能充分發(fā)揮DSP的運(yùn)算速度，實(shí)現(xiàn)飛控算法。采用基于FPGA的雙RAM緩沖機(jī)制，能很好地解決異步串行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步數(shù)據(jù)處理問(wèn)題，滿足飛控系統(tǒng)需求。

1 設(shè)計(jì)思想和工作原理

1.1 設(shè)計(jì)思想

對(duì)于單DSP核心的飛控計(jì)算機(jī)，要收發(fā)多路異步串行數(shù)據(jù)就會(huì)占用多路中斷，導(dǎo)致中斷響應(yīng)不及時(shí)造成數(shù)據(jù)丟失。同時(shí)多路中斷也會(huì)影響到數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。飛控計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的完整性和實(shí)時(shí)性要求較高，傳統(tǒng)單DSP核心不能滿足彈上多數(shù)字式設(shè)備的要求。由于FPGA具有強(qiáng)大的并行處理能力，所以采用增加一片F(xiàn)PGA用于異步串行數(shù)據(jù)的收發(fā)的方法彌補(bǔ)單DSP核心的缺陷。DSP+FPGA的結(jié)構(gòu)能將DSP從繁瑣的外部接口管理中解放出來(lái)，充分發(fā)揮DSP的運(yùn)算優(yōu)勢(shì)，提高運(yùn)算效率的同時(shí)易于維護(hù)和擴(kuò)展[2]。

1.2 飛控計(jì)算機(jī)工作原理

飛控計(jì)算機(jī)的一般工作過(guò)程如下：飛控計(jì)算機(jī)上電之后進(jìn)行自檢，向載機(jī)發(fā)出“導(dǎo)彈存在”指令。飛控計(jì)算機(jī)接收載機(jī)的裝訂信息，完成初始對(duì)準(zhǔn)，并且向載機(jī)發(fā)出“允許發(fā)射”指令。當(dāng)導(dǎo)引頭探測(cè)到目標(biāo)向飛控計(jì)算機(jī)發(fā)出導(dǎo)引數(shù)據(jù)時(shí)，飛控計(jì)算機(jī)向載機(jī)發(fā)出“目標(biāo)截獲”指令。載機(jī)經(jīng)過(guò)判斷決策，向飛控計(jì)算機(jī)給出“發(fā)射”指令。發(fā)射之后，飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行飛行時(shí)間計(jì)時(shí)，并開(kāi)始按照已有的控制率，結(jié)合慣導(dǎo)和導(dǎo)引頭輸入進(jìn)行飛控解算，得出四路舵機(jī)控制信號(hào)信號(hào)，控制導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)；并將接收到慣導(dǎo)數(shù)據(jù)、導(dǎo)引頭數(shù)據(jù)、舵控量等內(nèi)容組成遙測(cè)信息，發(fā)送給觀測(cè)人員。

2 結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)飛控計(jì)算機(jī)工作原理，它具備以下功能：

能夠收發(fā)裝訂、慣導(dǎo)、導(dǎo)引頭和遙測(cè)等數(shù)據(jù)；

能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)引率，完成導(dǎo)航數(shù)據(jù)解算功能；

能夠控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)——舵機(jī)。

RS422通信協(xié)議具有抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，已經(jīng)被各種數(shù)字設(shè)備廣泛采用。本彈載機(jī)對(duì)外通信接口均采用422通信協(xié)議。根據(jù)飛控計(jì)算機(jī)的功能可以得出，此系統(tǒng)至少應(yīng)該包含裝訂、慣導(dǎo)、導(dǎo)引頭、遙測(cè)數(shù)據(jù)的收發(fā)和舵機(jī)控制5路數(shù)據(jù)通信。由于彈載機(jī)工作時(shí)收發(fā)“導(dǎo)彈存在”、“目標(biāo)截獲”、“允許發(fā)射”等開(kāi)關(guān)量，還需要開(kāi)關(guān)量的輸入輸出。故FPGA對(duì)外的接口共包括5路RS422和8位DIO通信接口。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示（圖中XINTF接口和雙端口RAM的說(shuō)明見(jiàn)本文第4部分）。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

DSP選用TI公司的高性能浮點(diǎn)處理器TMS320F28335，150 MHz主頻，性能相比于2812有大幅提升，廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)。FPGA選用ALTERA的Cyclone II系列，完全滿足應(yīng)用需求。DSP+FPGA組成的最小系統(tǒng)主要由電源、復(fù)位電路、晶振、燒寫(xiě)接口等部分組成。電源芯片選用TPS767D301PWP，可以為DSP提供3.3 V的工作電壓和1.9 V的內(nèi)核電壓；FPGA的內(nèi)核電壓由ASM1117－1.2穩(wěn)壓得到。DSP復(fù)位芯片采用 MAX809S，晶振采用30 MHz的有源晶振；FPGA用50 MHz的有源晶振。配置芯片選用EPCS1，容量為1M bits，用AS模式燒寫(xiě)。

對(duì)外的RS422接口采用MAX3491協(xié)議芯片實(shí)現(xiàn)。MAX3491將FPGA的TTL電平轉(zhuǎn)換成422差分電平，和彈上設(shè)備通信。由于FPGA引腳的驅(qū)動(dòng)能力弱，因此對(duì)外的8位DIO采用74LV244芯片，增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。

3 軟件設(shè)計(jì)

DSP通過(guò)XINTF接口與FPGA通信。DSP將地址傳遞給FPGA，F(xiàn)PGA經(jīng)過(guò)地址譯碼操作對(duì)應(yīng)外部設(shè)備數(shù)據(jù)。

3.1 FPGA軟件設(shè)計(jì)

FPGA主要功能是完成5路RS422串口數(shù)據(jù)的同時(shí)收發(fā)操作開(kāi)關(guān)量的輸入和輸出，并和DSP交換數(shù)據(jù)。FPGA可使用進(jìn)程語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)行，對(duì)各外設(shè)的操作都是實(shí)時(shí)并行的，相互之間沒(méi)有影響。

3.1.1 串口通信

先將時(shí)鐘通過(guò)分頻得到8倍于波特率的串口時(shí)鐘。數(shù)據(jù)接收時(shí)，根據(jù)串口通信的特點(diǎn)，首先判斷低電平起始位。檢測(cè)到起始位之后，按照嚴(yán)格地每八個(gè)時(shí)鐘一位的關(guān)系采集一個(gè)字節(jié)8位的電平。由于噪聲的存在可能會(huì)導(dǎo)致采集到的瞬時(shí)電平有誤，此時(shí)采用表決機(jī)制，即在8個(gè)時(shí)鐘期間采樣3次，以其中2次相同的電平為準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)證明，表決機(jī)制能極大排除隨即噪聲干擾，降低串行通信的誤碼率[4]。接收到數(shù)據(jù)之后存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)的雙端口RAM中，等待DSP讀取。串口數(shù)據(jù)接受流程如圖2所示。

圖2 串口數(shù)據(jù)接收流程圖Fig.2 Serial data reception flow

數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)先從雙端口RAM中讀出需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，按照串口時(shí)鐘，先發(fā)送起始位（低電平），再依次通過(guò)移位寄存器將8位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行的’0’/’1’發(fā)出。主要由下面語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)：

其中txd是要發(fā)送的1位邏輯電平，txd_buf中存儲(chǔ)著將要發(fā)送的數(shù)據(jù)。發(fā)送流程如圖3所示。

圖3 串口數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖Fig.3 Serial data transmission flow

將按照上述流程設(shè)計(jì)的程序在FPGA中進(jìn)行測(cè)試。將FPGA串口和PC機(jī)連接，采用115 200波特率連續(xù)工作3分鐘，收發(fā)均無(wú)錯(cuò)誤字節(jié)。

3.1.2 雙RAM緩沖機(jī)制

由于串口外設(shè)的波特率是115 200，屬于低速外設(shè)，因此在串口數(shù)據(jù)和DSP之間采用雙端口RAM作為緩沖區(qū)[5]。由于此FPGA上自帶片上RAM，因此可以利用開(kāi)發(fā)環(huán)境自帶的IP核生成片上雙端口RAM，不用額外增加片外RAM器件（圖1）。雙端口RAM的實(shí)體定義和讀寫(xiě)時(shí)序：

將每個(gè)RAM中的最后一個(gè)字節(jié)作為反映RAM存儲(chǔ)狀態(tài)的狀態(tài)字。RAM的狀態(tài)字代表的含義如下：

圖4 雙端口RAM讀寫(xiě)時(shí)序圖Fig.4 Daul RAM timing diagram

bit0：1－串口接收到新數(shù)據(jù)幀 0－無(wú)新數(shù)據(jù)幀；

bit1：1－數(shù)據(jù)已經(jīng)被讀取 0－數(shù)據(jù)未被讀?。?/p>

慣導(dǎo)和導(dǎo)引頭向彈載機(jī)每6 ms傳輸一幀數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到雙端口 RAM中， 同時(shí)將 bit0置 ‘1’，bit1清零，即RAM狀態(tài)為“新數(shù)據(jù)幀未被讀取”。由于慣導(dǎo)和導(dǎo)引頭的數(shù)據(jù)不同步，因此DSP每1ms就查詢一次RAM的狀態(tài)字。若接收到新的數(shù)據(jù)幀（bit0=1），則讀取RAM數(shù)據(jù)，并將“數(shù)據(jù)被讀取”位置 1（bit1=1）。這樣，慣導(dǎo)和導(dǎo)引頭給DSP發(fā)送的數(shù)據(jù)延遲不超過(guò)1 ms，可以認(rèn)為慣導(dǎo)和導(dǎo)引頭的數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)同步的。

圖5 雙RAM緩沖示意圖Fig.5 Two daul RAMS buffer schematic diagram

在串口接收數(shù)據(jù)期間，如果串口和DSP在同一時(shí)間操作RAM，可能導(dǎo)致DSP讀取到幀錯(cuò)亂的數(shù)據(jù)。為了保證數(shù)據(jù)幀的完整，不使兩者同時(shí)讀取RAM，采用雙RAM緩沖機(jī)制，即為每個(gè)串口配置2個(gè)雙端口RAM的作為緩沖，如圖 5所示。串口數(shù)據(jù)接收程序通過(guò)查詢RAMa和RAMb的狀態(tài)字，若bit1=1，則將接收到的數(shù)據(jù)幀存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的RAM中，完成之后將bit0置1，bit1清0，這個(gè)周期為6 ms。與此同時(shí)，DSP每1 ms查詢一次 RAMa和RAMb，若 bit0為 1，則讀取對(duì)應(yīng)RAM中的數(shù)據(jù)幀，同時(shí)將bit0清0，bit1置1。串口數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程與接收類似，數(shù)據(jù)傳輸方向相反。

采用雙RAM緩沖機(jī)制，使得串口和DSP不在同一時(shí)間訪問(wèn)同一RAM區(qū)，避免了錯(cuò)幀和丟幀，同時(shí)保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

3.2 DSP軟件設(shè)計(jì)

DSP軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方式，分為應(yīng)用層和底層軟件兩部分。應(yīng)用層軟件主要實(shí)現(xiàn)飛控流程和飛控算法；底層軟件主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，以便通過(guò)DSP總線和FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3.2.1 應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)

外部的慣導(dǎo)和導(dǎo)引頭6 ms產(chǎn)生一次數(shù)據(jù)，DSP開(kāi)啟1ms的定時(shí)器中斷，在中斷中每1 ms查詢一次雙端口RAM的狀態(tài)字，判斷是否有新數(shù)據(jù)產(chǎn)生，這樣采集的數(shù)據(jù)延遲不會(huì)超過(guò)1 ms。飛控解算的周期為6 ms，遙測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送的周期為12 ms，在定時(shí)器中斷程序中完成飛控解算和遙測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送。

中斷服務(wù)程序每1 ms運(yùn)行一次，每次首先查詢導(dǎo)引頭和慣導(dǎo)有沒(méi)有更新數(shù)據(jù)，再讀取新數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在全局結(jié)構(gòu)體里。每6ms用全局結(jié)構(gòu)體里得到的新數(shù)據(jù)解算一次飛控指令，得到舵機(jī)的輸出角度，輸出舵控指令，控制舵機(jī)。流程如圖 6所示。

圖6 DSP程序流程框圖Fig.6 Flow chart of flight control software

3.2.2 底層軟件設(shè)計(jì)

DSP底層軟件主要完成外部數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。DSP通過(guò)XINTF產(chǎn)生讀寫(xiě)時(shí)序 （圖2圖3所示時(shí)序），F(xiàn)PGA也設(shè)計(jì)與之相匹配的時(shí)序完成兩者之間的數(shù)據(jù)交換。

DSP應(yīng)用層軟件使用的是浮點(diǎn)數(shù)，而DSP和FPGA之間只能傳遞二進(jìn)制數(shù)，因此需要按照IEEE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)和二進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換。根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)[6]，可以用32位，即8個(gè)字節(jié)表示一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)。如果將代表浮點(diǎn)數(shù)的4個(gè)字節(jié)組合成32位的整型數(shù)inte32，進(jìn)行強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換皆可以得到浮點(diǎn)數(shù)，轉(zhuǎn)換函數(shù)如下：

將浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換成整型數(shù)的方法與此類似。底層軟件[7]按照上述方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，供應(yīng)用層調(diào)用。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

彈載機(jī)實(shí)物設(shè)計(jì)制作完成之后可以利用半實(shí)物仿真平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，該半實(shí)物仿真平臺(tái)由上位機(jī)、慣導(dǎo)、舵機(jī)和三軸轉(zhuǎn)臺(tái)組成。如圖上位機(jī)的作用是模擬導(dǎo)彈動(dòng)力學(xué)模型[8]和導(dǎo)引頭信息，并控制三軸轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)模擬導(dǎo)彈姿態(tài)。導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)信息由慣導(dǎo)測(cè)量之后發(fā)送給飛控計(jì)算機(jī)，飛控計(jì)算機(jī)根據(jù)運(yùn)動(dòng)信息解算出舵機(jī)控制量控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)將遙測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)采集舵機(jī)反饋的實(shí)際角度，將其代入導(dǎo)彈動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算導(dǎo)彈姿態(tài)，控制三軸轉(zhuǎn)臺(tái)，這樣就形成了完整的半實(shí)物仿真回路。

圖7 半實(shí)物仿真系統(tǒng)組成圖Fig.7 Structure diagram of semi-physical simulation system

圖8 未接入飛控計(jì)算機(jī)仿真軌跡Fig.8 Simulation trajectory without flight control computer

圖9 接入飛控計(jì)算機(jī)仿真軌跡Fig.9 Simulation trajectory with flight control computer

仿真實(shí)驗(yàn)中，首先不接入飛控計(jì)算機(jī)，由仿真計(jì)算機(jī)中的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型直接實(shí)現(xiàn)控制算法，所得導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)軌跡如圖 8所示；將飛控計(jì)算機(jī)接入仿真回路，由飛控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)控制算法所得運(yùn)動(dòng)軌跡如圖9所示。

由圖8和圖 9的對(duì)比可以看出，飛控計(jì)算機(jī)接入之后飛控系統(tǒng)工作正常，導(dǎo)彈飛行軌跡基本一致，飛控計(jì)算機(jī)控制效果理想。

5 結(jié) 論

文中提出了一種基于DSP+FPGA的飛控計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方法，在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中驗(yàn)證了其性能，滿足設(shè)計(jì)要求。解決了在多數(shù)字彈上設(shè)備存在情況下的數(shù)據(jù)幀實(shí)時(shí)同步問(wèn)題。由于FPGA可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)各種時(shí)序，所以此飛控計(jì)算機(jī)可以擴(kuò)展為除了RS422外部接口外的其他多種數(shù)字設(shè)備接口，滿足模塊化、通用化的實(shí)際應(yīng)用需求。

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