OMAPL138的光電任務載荷控制器設計

王馬強，王惠林，邊赟，姜世洲，馮濤

(西安應用光學研究所，西安 710065)

OMAPL138的光電任務載荷控制器設計

王馬強，王惠林，邊赟，姜世洲，馮濤

(西安應用光學研究所，西安 710065)

摘要:針對無人機光電任務載荷輕量化、小型化和高性能的需求，本文基于ARM+DSP的雙核異構OMAPL138處理器，設計了一種兼具多任務管理和伺服穩(wěn)定控制功能的光電任務載荷控制器。設計中擴展了8通道EMIF總線接口方式的串口，運用了GDB和CCS相結合的動態(tài)雙核調試法，實現(xiàn)了利用消息隊列和環(huán)形緩沖區(qū)的核間通信，完成了光電任務載荷的高效準確控制。該設計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，具有一定的工程應用價值。

關鍵詞:OMAPL138；SysLink；雙核通信；光電任務載荷控制器

引言

光電任務載荷作為無人機標準配置的任務單元，可對戰(zhàn)區(qū)進行照相偵察、監(jiān)視、目標測距、定位與跟蹤，成為現(xiàn)代軍事武器裝備的千里眼[1]。光電任務載荷關鍵的技術問題之一是針對無人機的載荷能力限制，開展輕量化、小型化、高性能等方面的研究[2]。光電任務載荷控制器具有多任務管理和伺服穩(wěn)定控制的功能，多任務管理包括處理地面站操控命令，控制光電傳感器，切換光電任務載荷工作模式[3]，伺服穩(wěn)定控制實現(xiàn)光電傳感器大范圍轉動或扇形搜索，并對目標定位與跟蹤?？刂破髟O計既要滿足實時多任務管理和穩(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處理器集成為一個雙核處理器?；贠MAPL138的光電任務載荷控制器雙核分管工作，充分利用浮定點兼容的C6748 DSP 來支持高強度數(shù)據(jù)實時處理和伺服運動解算，同時將多任務管理交給ARM9內核負責，使用SysLink進行數(shù)據(jù)通信，充分發(fā)揮了ARM和DSP自身強大的優(yōu)勢，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內核和TMS320C674x內核的異構結構，浮點、定點能力兼?zhèn)?，內核頻率高達375/456 MHz[4]。ARM926EJ-S內核是Jazelle 技術增強的32 位RISC CPU，采用流水線結構，TMS320C674x內核是每秒百萬條指令(MIPS1/每秒百萬個浮點運算(MFLOPS)的32位VLIW DSP，采用2級高速緩存架構。

OMAPL138將ARM和DSP集成于一塊芯片中，在穩(wěn)定性方面有著較強的優(yōu)勢；ARM核和DSP核都可以獨立操作EDMA3、EMIFA、EMAC、SPI 等豐富的外設接口[5]；先進的電源管理對實現(xiàn)可靠、高效運作至關重要；具有RISC技術和CISC高速數(shù)字信號處理性能的優(yōu)點，適合在任務管理和高速運算并存時應用[6]。

2SysLink

由于OMAPL138獨特的異構雙核結構，系統(tǒng)啟動后雙核單獨運行，這樣就存在雙核運行速度不協(xié)調的問題。利用異構多核軟件開發(fā)工具包SysLink，可以使雙核配合工作達到更好的狀態(tài)，發(fā)揮其更強的處理能力。廣義上的SysLink包含了運行在HLOS(Higher Level Operating System)上的SysLink Product和運行在RTOS(Real Time Operating System)上的IPC Product，SysLink提供了豐富的核間通信機制(如MessageQ、RingIO等)[7]。其中，MessageQ用于多核間的可變長度消息數(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雙核調試

雙核調試在開發(fā)過程中占據(jù)大量的時間[8]，有效的調試方法會提高開發(fā)效率。 GDB和CCS相結合的動態(tài)調試法程序運行可控性強，調試時的靜態(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，調試主機LinuxPC和目標板之間用網(wǎng)口、串口和JTAG相連，CCS通過JTAG連接DSP端，使用二進制文件進行DSP端子程序調試；GDB通過網(wǎng)絡與ARM端運行的GDBServer交互，獲取ARM子程序運行狀態(tài)，使用二進制文件進行調試，更進一步，可以通過Console端口配置CCS對ARM子程序進行調試。

圖1　雙核調試靜態(tài)界面

調試具體流程是：①ARM加載SysLink模塊；②ARM用slaveloader啟動DSP程序；③PC用CCS加載DSP程序的Debug符號symbols；④ARM啟動GDBServer并加載ARM程序；⑤PC連接GDBServer并加載ARM程序的Debug符號symbols；⑥PC通過GDB和CCS在適當位置設置斷點開始調試。

4控制器設計

4.1控制器系統(tǒng)

ARM926EJ-S內核為主處理器，運行Linux操作系統(tǒng)，引導、加載從處理器DSP、驅動外圍設備，負責任務調度、數(shù)據(jù)指令的接收與分發(fā)、熱像和激光上電。TMS320C674x內核運行實時操作系統(tǒng)SYSBIOS和復雜的控制算法，輸出信號控制電機，與系統(tǒng)其他單元共同實現(xiàn)穩(wěn)定瞄線、搜索、跟蹤目標。有了ARM主控制器，DSP就從復雜的系統(tǒng)控制中解脫出來，處理更復雜的算法和大量的數(shù)據(jù)運算。

控制器總體框圖如圖2所示。

NAND Flash采用512M、8位K9F4G08U0D，用于存儲bootloader、啟動時系統(tǒng)環(huán)境變量、Linux內核、文件系統(tǒng)；DDR2采用128 MB、16位400 MHz MT47H64 M16HR，用于軟件運行空間；雙串口擴展芯片TL16CP754CIPM的8通道 RS422串口具有EMIF總線接口方式，傳輸速度快、實時性高。GPIO給熱像、激光上電；專用芯片AD2S80采集旋變信號，16位、8通道AD7606采集測速機和陀螺的信號，精度高、噪聲低；輸出PWM經(jīng)過放大驅動模塊控制電機；接口有仿真調試JTAG、串口終端、調試RS232、RJ45 網(wǎng)口。

4.2共享內存通信

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

圖3　雙核通信內存分配

圖4　跟蹤模式流程圖

設置內核啟動參數(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進行消息傳輸，RingIO進行數(shù)據(jù)傳輸。MessageQ是單向傳輸，每個消息隊列可以有多個寫者，但只能有一個讀者。劃分SR0Ipc用于雙方消息傳輸，建立一個從ARM到DSP的消息隊列和一個從DSP到ARM的消息隊列；RingIO也是單向傳輸，僅支持一個讀和一個寫，分配SR1內存用于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跟蹤模式實現(xiàn)

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

控制器基于CS架構(客戶端服務器模型)，ARM端是客戶端，DSP是服務端。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、跟蹤器跟蹤偏差、地面站操控指令、旋變俯仰方位位置量。DSP端采集測速機轉速信號、陀螺速率信號、旋變位置信號，處理數(shù)據(jù)并運行先進的穩(wěn)定控制算法和自抗擾控制算法。核間通信MessageQ接收消息，調用相應的處理函數(shù)進行分發(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、漂移補償、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、測速機、陀螺信號，從SR1讀取數(shù)據(jù)；

④ DSP端進入跟蹤模式，獲得自動跟蹤角偏差量，自動跟蹤控制運算，將跟蹤量、速率量、轉速量和位置量利用加法器求和，運行穩(wěn)定控制算法，通過陀螺穩(wěn)定回路和位置穩(wěn)定回路控制內環(huán)，測速控制回路和位置控制回路控制外環(huán)，并輸出電機控制量；

⑤ DSP端將跟蹤模式、視場值、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)行這個步驟。

4.4控制器性能

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

表1　控制器性能對比結果

結語

本文采用OMAPL138設計的光電任務載荷控制器，

參考文獻

[1] 王惠林.從技術發(fā)展談光電系統(tǒng)工程在無人平臺裝備建設中應發(fā)揮的作用[C]//無人平臺光電信息技術與裝備發(fā)展研討會論文集,北京：2014.

[2] 王小鵬.軍用光電技術與系統(tǒng)概論[M].北京：國防工業(yè)出版社,2011.

[3] 高賢娟.無人機光電系統(tǒng)實時多任務管理軟件技術研究[D].西安：西安工業(yè)大學, 2013.

[4] Texas Instruments.OMAP-L138 C6000 DSP+ARM Processor,2014.

[5] Texas Instruments.OMAP-L138 Applications Processor System Reference Guide,2010.

[6] 謝維波, 賀文強.基于OMAPL138的視頻監(jiān)控煙霧檢測系統(tǒng)[J].計算機工程與應用, 2015(20):183-187.

[7] Texas Instruments.SysLink User Guide,2010.

[8] 欒小飛.OMAPL138雙核系統(tǒng)的調試方案設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用, 2012, 12(1):16-19.

[9] 國常義, 李超群, 劉峰.達芬奇異構多核處理器核間通信技術研究[J].電視技術, 2015, 39(7).

王馬強(助理工程師)，主要從事光電系統(tǒng)總體設計。

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:TP273.5

文獻標識碼:A

收稿日期：(責任編輯：楊迪娜2016-02-02)