基于DSP的彈載導(dǎo)引頭軟件設(shè)計與實現(xiàn)

張　飛,徐剛剛 ,張新潮

(中國空空導(dǎo)彈研究院,河南 洛陽　471009)

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基于DSP的彈載導(dǎo)引頭軟件設(shè)計與實現(xiàn)

張飛,徐剛剛 ,張新潮

(中國空空導(dǎo)彈研究院,河南 洛陽471009)

為滿足彈載計算機對導(dǎo)引頭軟件的實時性要求和實現(xiàn)紅外導(dǎo)引頭的自主尋的跟蹤功能，基于主從DSP的硬件架構(gòu)完成了紅外導(dǎo)引頭軟件的設(shè)計與實現(xiàn)；其中，ADSP2187N為從DSP，負(fù)責(zé)接收外部輸入并形成目標(biāo)識別所需的各類信號；TMS320C6414為主DSP，負(fù)責(zé)接收ADSP2187N發(fā)送的信號，并完成目標(biāo)檢測、識別、跟蹤等功能；串行加載軟件完成導(dǎo)引頭軟件的自動加載運行及后續(xù)升級；半實物仿真試驗中，導(dǎo)彈穩(wěn)定跟蹤并命中目標(biāo)，試驗結(jié)果表明導(dǎo)引頭軟件各模塊工作正常，滿足了系統(tǒng)的功能和性能要求。

實時性； 彈載計算機； 導(dǎo)引頭軟件； 數(shù)字信號處理器； 串行加載

0　引言

空空導(dǎo)彈是由飛機攜帶，并從飛機上發(fā)射，攻擊空中目標(biāo)的導(dǎo)彈[1]。21世紀(jì)以來，隨著新材料技術(shù)、計算機技術(shù)和傳感器技術(shù)的深入應(yīng)用， 作戰(zhàn)飛機的各項性能指標(biāo)都有了很大的提升。這就對以戰(zhàn)斗機為作戰(zhàn)目標(biāo)的空空導(dǎo)彈提出了更高的要求，要求導(dǎo)引頭軟件能夠?qū)崟r地解算出目標(biāo)的方位信息，并且具備可靠的跟蹤和復(fù)雜的抗干擾能力。

通常，導(dǎo)引頭軟件先對接收到的探測信號進(jìn)行預(yù)處理，之后完成信號檢測、目標(biāo)識別、坐標(biāo)計算等功能。為滿足戰(zhàn)場環(huán)境對信號處理的實時性要求，本文采用雙DSP的彈載計算機架構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了導(dǎo)引頭軟件，在基于本幀數(shù)據(jù)完成尋的功能的同時，能夠完成下幀數(shù)據(jù)的預(yù)處理操作，提高了數(shù)據(jù)處理的并行程度。該彈載計算機的處理器由TMS320C6414(以下簡稱6414，為主DSP)和ADSP2187(以下簡稱2187，為從DSP)組成。ADSP2187是ADI公司的數(shù)字信號處理器，具備豐富的I/O資源和靈活的應(yīng)用方式[2-3]，在本文中負(fù)責(zé)接收導(dǎo)引頭的外部輸入并形成目標(biāo)識別所需的各類信號；TMS320C6414是TI公司的高性能處理器，高速的處理能力以及出色的對外接口能力使其非常適合圖像處理[4]，在本文中負(fù)責(zé)接收ADSP2187N的輸出信號，并完成目標(biāo)識別、目標(biāo)跟蹤、抗干擾和對外輸出等功能。

1　系統(tǒng)架構(gòu)

導(dǎo)引頭軟件安裝在彈載計算機的固件中，由兩部分組成：串行加載軟件[5]和信息處理軟件。其中，串行加載軟件固化于彈載計算機FLASH中，實現(xiàn)對信息處理軟件目標(biāo)代碼的串行裝載功能，主要用于彈體封裝之后的導(dǎo)引頭軟件升級；信息處理軟件包括2187DSP軟件和6414DSP軟件兩部分，分別實現(xiàn)信號預(yù)處理功能和導(dǎo)引頭尋的功能。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1　軟硬件系統(tǒng)架構(gòu)

圖1中，6414為主處理機，2187為從處理機。主處理機通過雙口RAM接口實現(xiàn)與飛控計算機之間的通訊，從處理機通過IDMA接口實現(xiàn)與主處理機的實時通訊。主處理機的PM存儲區(qū)大小為1 MB，從處理機的PM存儲區(qū)大小為256 KB，片外FLASH的大小為2 MB。因為DSP內(nèi)部存儲器為RAM型存儲器，系統(tǒng)下電后存儲器中的內(nèi)容消失，所以需要通過上位機的客戶端軟件將生成好的串行加載軟件和信息處理軟件燒寫到FLASH中(實線框表示)，之后通過二次加載的方式將6414軟件和2187軟件分別加載到6414和2187的PM存儲區(qū)中(虛線框表示)。

圖3　導(dǎo)引頭信息處理軟件功能模塊圖

系統(tǒng)首次使用時需要執(zhí)行三次上電過程。第一次上電，燒寫串行加載軟件；第二次上電，利用串行加載軟件燒寫信息處理軟件；第三次上電，信息處理軟件自動加載運行。在此后的使用中，信息處理軟件上電即可運行。若信息處理軟件升級，則仍需要執(zhí)行上述第二次上電動作。三次上電的細(xì)節(jié)如下所述：

1)系統(tǒng)上電，通過仿真工具的JTAG接口燒寫串行加載軟件，系統(tǒng)下電；

2)系統(tǒng)再次上電，彈載計算機系統(tǒng)將FLASH存儲器中的串行加載軟件自動裝載到6414 DSP內(nèi)部PM程序存儲區(qū)中，之后串行加載軟件自動運行；

3)串行加載軟件運行過程中，若檢測到上位機客戶端發(fā)送的握手指令，則將客戶端發(fā)送過來的導(dǎo)引頭軟件燒寫至FLASH。串行加載軟件運行結(jié)束，等待系統(tǒng)下電；

4)串行加載軟件運行過程中，若未檢測到上位機客戶端發(fā)送的握手指令，則控制將FLASH中的信息處理軟件裝載到6414 DSP 內(nèi)部PM程序存儲區(qū)中，然后6414軟件運行并將2187軟件裝載到2187 DSP內(nèi)部PM程序存儲區(qū)中。2187軟件和6414軟件各自獨立運行，直至系統(tǒng)下電。

2　軟件設(shè)計

2.1串行加載軟件

串行加載軟件的功能模塊如圖2所示。

圖2　串行加載軟件功能模塊圖

1)握手指令接收及發(fā)送：接收并判斷McBsp接口傳送過來的數(shù)據(jù)是否為握手指令，若為握手指令則返回給上位機；

2)加載6414代碼：將上位機發(fā)送過來的6414代碼寫入6414程序存儲區(qū)；

3)回讀6414代碼：回讀6414程序存儲區(qū)的代碼并進(jìn)行校驗；

4)加載2187代碼：將上位機發(fā)送過來的2187代碼寫入2187程序存儲區(qū)；

5)回讀2187代碼：回讀2187程序存儲區(qū)的代碼并進(jìn)行校驗。

2.2導(dǎo)引頭信息處理軟件

信息處理軟件包括2187DSP軟件和6414DSP軟件，2187DSP軟件負(fù)責(zé)對前端輸入信號進(jìn)行預(yù)處理，形成6414DSP所需的目標(biāo)和背景數(shù)據(jù)；6414DSP軟件負(fù)責(zé)從探測信號中識別出目標(biāo)信號并計算出跟蹤和制導(dǎo)指令。

信息處理軟件的功能模塊如圖3所示。

2.2.12187DSP軟件設(shè)計

2187DSP軟件完成對外部輸入信號的分路轉(zhuǎn)存和信號預(yù)處理工作。

1)A/D數(shù)據(jù)存儲：實現(xiàn)基準(zhǔn)信號、離軸角信號、紅外探測信號采樣結(jié)果的接收與存儲；

2)基準(zhǔn)信號檢測：檢測基準(zhǔn)信號上升沿和下降沿位置，計算基準(zhǔn)信號頻率；

3)離軸角信號檢測：在一個信息處理周期內(nèi)檢測離軸角信號峰值，以此表征導(dǎo)引頭光軸偏離彈軸的角度大小；

4)時間刻度調(diào)整：采用線性插值方法將每個信息處理周期的紅外探測信號采樣結(jié)果的實際采樣點數(shù)調(diào)整為固定點數(shù)，即實現(xiàn)將定時采樣轉(zhuǎn)換為定點采樣。

2.2.26414DSP軟件設(shè)計

6414DSP軟件接收2187DSP傳送過來的基準(zhǔn)信號、離軸角信號及探測信號，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)導(dǎo)引頭的尋的功能。

1)數(shù)據(jù)處理：對預(yù)處理輸出的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、轉(zhuǎn)存，形成目標(biāo)檢測所需的數(shù)據(jù)；

2)目標(biāo)檢測：對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，標(biāo)記各個信號的相位并計算信號特征；

3)目標(biāo)識別：包括背景條件下的目標(biāo)識別和誘餌干擾條件下的目標(biāo)識別。將檢測得到的信號特征與典型目標(biāo)特征對比，從中識別出目標(biāo)；

4)截獲判斷：綜合目標(biāo)識別結(jié)果和截獲判據(jù)進(jìn)行截獲判別；

5)自動增益控制：根據(jù)中、短波探測信號的能量大小，實現(xiàn)實時的自動增益控制，使輸入的探測信號始終保持線性區(qū)內(nèi)，以利于目標(biāo)檢測；

6)指令形成：根據(jù)當(dāng)前周期目標(biāo)識別確定的跟蹤對象，計算跟蹤指令；

7)輸入輸出控制：負(fù)責(zé)接收離梁、電/解鎖指令和對外輸出截獲指令、跟蹤指令、制導(dǎo)指令、彈道封鎖指令等。

3　軟件實現(xiàn)

串行加載軟件和6414DSP軟件開發(fā)環(huán)境均為TMS320C6000 Code Composer Studio 3.1(CCS V3.1)集成開發(fā)平臺，開發(fā)語言為TMS320C6000匯編及ANSI C。

2187DSP軟件開發(fā)環(huán)境為ADSP-218X EZ-ICE 2.0集成開發(fā)平臺，開發(fā)語言為ADSP218x匯編語言和ANSI C。

3.1串行加載實現(xiàn)

串行加載軟件的流程圖如圖4所示。

圖4　串行加載軟件流程圖

1)首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化工作，包括對定時器、McBsp接口、EDMA通道的初始化工作。

2)之后，軟件進(jìn)入5秒鐘等待循環(huán)：

(1)若等待過程中Mcbsp接口有數(shù)據(jù)傳入，則接收數(shù)據(jù)并存儲在命令碼存儲區(qū)，然后跳出循環(huán)，執(zhí)行3)。

(2)若Mcbsp接口無數(shù)據(jù)傳入，則繼續(xù)等待直到定時器0計時5秒鐘后跳出循環(huán)，并轉(zhuǎn)入執(zhí)行導(dǎo)引頭信息處理軟件。

3)判斷命令碼是否為執(zhí)行串行加載的握手指令，若為握手指令，則先發(fā)送握手指令給上位機，之后執(zhí)行串行加載及回讀過程；若命令碼不是握手指令，則轉(zhuǎn)入執(zhí)行導(dǎo)引頭信息處理軟件。

3.26414DSP軟件

串行加載軟件運行過程中，若在約定的時間內(nèi)未接收到握手指令，那么將轉(zhuǎn)入執(zhí)行6414DSP軟件。6414DSP軟件的流程圖如圖5所示。

圖5　6414DSP軟件流程圖

1)首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化工作，包括：加載并運行2187DSP軟件；初始設(shè)置6414DSP底層硬件寄存器和軟件變量。

2)初始化工作完成之后，2187DSP軟件與6414DSP軟件并行運行。6414軟件無條件進(jìn)入信號處理主循環(huán)。該主循環(huán)主要完成數(shù)據(jù)處理、信號檢測、目標(biāo)識別、截獲判斷、自動增益控制、指令形成和輸入輸出控制。

3)6414軟件在數(shù)據(jù)處理模塊中完成與2187軟件的同步，并接收2187預(yù)處理的探測信號、基準(zhǔn)和離軸角信號。主循環(huán)各個模塊依次執(zhí)行的同時，2187DSP完成下一幀探測信號的預(yù)處理工作，主循環(huán)的最大運行時間要小于2187DSP信號預(yù)處理的周期時間。

4)系統(tǒng)上電之后，6414DSP軟件與2187DSP軟件始終處于執(zhí)行狀態(tài)，直至導(dǎo)彈命中目標(biāo)。

3.32187DSP軟件

2187DSP軟件由6414DSP軟件加載并啟動運行。軟件流程圖如圖6所示。

圖6　2187DSP軟件流程圖

1)首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化工作。

2)之后控制實現(xiàn)對基準(zhǔn)信號、離軸角信號、探測信號的后臺實時A/D采樣，并轉(zhuǎn)存采樣數(shù)據(jù)。

3)進(jìn)行基準(zhǔn)信號檢測，并根據(jù)基準(zhǔn)信號和離軸角信號數(shù)據(jù)實時計算出導(dǎo)引頭的離軸角幅值和相位信息。

4)最后對采樣得到探測信號完成時間刻度調(diào)整，轉(zhuǎn)換為固定點采樣數(shù)據(jù)。

4　仿真試驗

半實物仿真是在進(jìn)行仿真時引入部分硬件實物進(jìn)行軟硬件結(jié)合的仿真，能夠克服純數(shù)字仿真中數(shù)學(xué)模型不精確的缺點，更加真實地反映系統(tǒng)的實際情況。半實物仿真具有較高的可信度、安全、高效和可重復(fù)的特點，彌補了數(shù)字仿真與外場試驗之間的空檔[6]。

為驗證導(dǎo)引頭軟件的功能、性能是否滿足系統(tǒng)要求，利用半實物仿真系統(tǒng)開展了仿真試驗。該仿真系統(tǒng)由飛行模擬轉(zhuǎn)臺、仿真總控臺、控制艙、海外目標(biāo)模擬器、仿真計算機、遙測站、供氣臺等組成，示意圖如圖7所示[7]。

圖7　半實物仿真系統(tǒng)

完成導(dǎo)引頭軟件燒寫之后，導(dǎo)引頭與制導(dǎo)組件被封裝成控制艙并置于飛行模擬轉(zhuǎn)臺，由仿真總控臺控制各子系統(tǒng)進(jìn)行特定彈道的仿真試驗。圖8為某條彈道結(jié)果中的彈目接近距離。

圖8　導(dǎo)彈發(fā)射后彈目相對距離

以遙測站開始記錄的時刻為零點，導(dǎo)彈于0.8 s發(fā)射，從圖中可以看出，發(fā)射時彈目距離為4 km，發(fā)射后，彈目相對距離隨導(dǎo)彈追擊目標(biāo)遞減，7s時彈目距離為0.99 m，導(dǎo)彈滿足起爆條件，起爆并毀傷目標(biāo)，該彈道仿真結(jié)束。從彈目距離的變化情況可以看出，在導(dǎo)彈發(fā)射過程中，導(dǎo)引頭穩(wěn)定識別和跟蹤目標(biāo)直至遇靶，導(dǎo)引頭軟件工作正常。

5　結(jié)論

本文基于TMS320C6414和ADSP2187N的硬件架構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了彈載導(dǎo)引頭軟件。通過合理的功能模塊劃分，既利用了ADSP2187N豐富的I/O資源，同時又發(fā)揮了TMS320C6414高性能的圖像處理能力，實現(xiàn)了系統(tǒng)上電后導(dǎo)引頭的目標(biāo)識別及自主跟蹤功能，提高了系統(tǒng)的實時性。此外，本文設(shè)計實現(xiàn)的串行加載軟件具備通過串口燒寫DSP軟件的能力，為后續(xù)的導(dǎo)引頭軟件升級提供了方便的途徑。通過半實物仿真試驗驗證了導(dǎo)引頭軟件設(shè)計的合理性和有效性并為后續(xù)型號軟件的設(shè)計提供了可借鑒的經(jīng)驗。

[1]鄭志偉. 空空導(dǎo)彈系統(tǒng)概論[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1997.

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Design and Implementation of Missile-Borne Seeker Software Based on DSP

Zhang Fei，Xu Ganggang， Zhang Xinchao

(China Airborne Missile Academy, Luoyang471009，China)

A software based on master-slave DSPs is presented to satisfy the real-time and self-tracking requirements of the seeker. As the slave DSP, ADSP2187N receives external inputs, and forms signal for aim detecting. Based on the signal, the master DSP TMS320C6414 implements aim detecting, identifying and tracking. The serial load program achieves auto-loading of seeker software, and provides way for further software update. In semi-physical simulation, the seeker tracks and hits the target correctly. Results verify the correctness of the software and show the achievements for the requirements of the system.

real-time; missile-borne computer; seeker software; DSP; serial load

2015-06-25；

2015-09-06。

張飛，碩士研究生，工程師，主要從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方向的研究。

1671-4598(2016)01-0149-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.041

TP3

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