基于DSP的某導航計算機模塊的設計

摘要：隨著現(xiàn)代導航技術(shù)的發(fā)展，慣性導航作為一種自主導航技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于多種武器系統(tǒng)中，而導航計算機又是捷聯(lián)式慣導的核心部件。文章提出了一種采用基于DSP的某型導航計算機模塊的解決方案，設計方案采用雙處理器TMS320C6713，對數(shù)字電路接口實現(xiàn)了光電隔離，采用 FPGA實現(xiàn)對多路信號的核心處理，并具有CAN總線通信接口。本文對計算機單元的硬件設計與實現(xiàn)方法進行了較為詳盡的描述。該計算機單元滿足了某型武器慣性導航系統(tǒng)的使用需求。

引言

隨著現(xiàn)代武器技術(shù)的發(fā)展，作為慣性導航系統(tǒng)控制核心的計算機單元，其一體化和集成度越來越高、接口越來越豐富。本文以某型導航計算機模塊的需求作為背景，介紹了一種基于雙DSP(TMS320C6713)和FPGA的計算機模塊的硬件設計與實現(xiàn)方案，較好得滿足了導航計算機的各控制需求，同時具有小型化和一體化的特點。

1 總體設計

導航計算機板由兩個DSP構(gòu)成，主要功能是定時采集三路陀螺正交編碼信號、三路加速度計的輸入和里程計輸入信號，并對采集的數(shù)據(jù)進行必要的處理，以實現(xiàn)導航解算;同時將采集數(shù)據(jù)通過RS422總線和CAN總線發(fā)送給地面監(jiān)測設備;通過RS422總線接收相關(guān)的命令和相關(guān)的參數(shù)。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1所示。

計算機單元各控制接口豐富，其主要功能模塊包括：處理器相關(guān)電路、正負脈沖信號處理電路、正交方波信號處理電路、異步串行接口電路、AD測溫電路、CAN總線接口電路、開關(guān)量輸入輸出電路、模擬量輸入電路、電源轉(zhuǎn)換電路和FPGA等。

2 詳細設計

由于計算機單元接口眾多，在詳細設計中僅對主要的以下電路作出介紹：處理器相關(guān)電路、正負脈沖信號處理電路、正交方波信號處理電路、AD測溫電路和CAN總線接口電路。

2. 1 處理器及其外圍電路

處理器及其外圍電路包括雙TMS320C6713處理器、時鐘電路、JTAG驅(qū)動電路、復位電路、存儲器電路。

雙DSP各自具有不同的控制功能分工，兩者均通過各自的EMIF局部總線和FPGA通信，訪問和控制FPGA中不同的控制功能模塊，兩者之間可以通過雙端口RAM存儲器實現(xiàn)互相通信。

處理器最高工作頻率200MHz，最大處理能力1200MFLOPS，通過EMIF局部總線實現(xiàn)對SDRAM和FLASH存儲器的無縫接口，單片支持4路外部中斷，片內(nèi)兩路32位定時器。

2.2 正負脈沖信號處理電路

信號形式為正交方波信號(需隔離、整形)，5V TTL信號，正交方波信號先經(jīng)過RC濾波電路和保護二極管，然后經(jīng)過光隔進入FPGA。

5路正負脈沖信號輸入為可逆脈沖，頻率最高256KHz，每個通道加速度計輸入包括3路信號，分另0是G+(H+、I+、E+、F+)、G-(H-、 I-、E-、F-)、GND(公共地)，G+信號上有脈沖時計數(shù)值增加，G-信號上有脈沖時計數(shù)值減少，上電默認值為滿量程的中間值，當采樣時鐘中斷產(chǎn)生時，將計數(shù)結(jié)果存入鎖存器內(nèi)。設計時5路信號分別采用32位同步可逆計數(shù)單元來實現(xiàn)，正負脈沖和鎖存信號均經(jīng)同步處理，同步時鐘為DSP1的系統(tǒng)時鐘，鎖存信號為經(jīng)分頻后的采樣時鐘S_CK。32位同步可逆計數(shù)單元結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。讀一次鎖存器內(nèi)的32位計數(shù)值需進行兩次讀操作，分別讀出低16位和高 16位數(shù)值，然后整合。

2.3 正交方波信號處理電路

3對正交方波信號由3個通道輸入，每個通道包括A+A-、B+B-、C+C-信號和各自獨立地線。信號形式為正交方波信號(需隔離、整形)，5V TTL。

當A+相超前A-相90度時計數(shù)值增加，當A+相落后A-相90度時計數(shù)值減少，頻率最高1MHz。信號進入FPGA后首先進行數(shù)字濾波處理，濾波后的信號再進行鑒相，產(chǎn)生四倍頻的可逆脈沖信號，然后對可逆脈沖進行計數(shù)，當同步方波中斷產(chǎn)生時，將計數(shù)結(jié)果存入鎖存器內(nèi)。信號在濾波后鑒相，得到可逆脈沖后進入32位同步可逆計數(shù)單元(圖2)，此時的同步時鐘為DSP1系統(tǒng)時鐘，鎖存信號為同步方波中斷。正交方波計數(shù)電路原理如圖3。

信號進入FPGA后經(jīng)過一個4位延遲數(shù)字濾波器，數(shù)字濾波器參考了積分解碼器/計數(shù)器芯片HCTL2000的設計，原理如圖4所示。根據(jù)原理圖，數(shù)字濾波器的輸入信號必須在三個連續(xù)的時鐘上升沿保持同一電平，才能夠通過4位延遲移位寄存器，因此小于兩個時鐘周期的噪聲脈沖都被抑制掉。

每路正交方波的兩個信號經(jīng)過數(shù)字濾波器輸出后，進入鑒相電路，經(jīng)過處理后，變?yōu)樗谋额l的可逆脈沖信號，鑒相電路原理見圖5所示。以X正交輸入為例，兩路輸入信號A、B分別經(jīng)過兩級移位寄存器，A經(jīng)過第二級的輸出信號命名為C，B輸出信號分別是D，最后輸出分別得到正、負通道信號+x和-X，(AD)(not(BC))，-X=(BC)(not(AD))。這種鑒相電路具有較強的抗干擾能力，即使A或B輸入上有噪聲信號通過前面的濾波電路，也會在+X和-X上產(chǎn)生對稱的脈沖而互相抵消掉，最后信號輸入至32位同步可逆計數(shù)單元(圖2)。

2.4 AD測溫電路

測溫信號包括3路測溫電阻輸入。設計中，測溫電阻、恒流源與3個高精度電阻組成電橋，如圖6所示，電橋兩臂中點分別接入運算放大器，壓差信號經(jīng)同向比例放大后由AD轉(zhuǎn)換芯片采集溫度測試結(jié)果。調(diào)理放大后的電壓信號由AD轉(zhuǎn)換芯片采樣后輸入DSP1，AD轉(zhuǎn)換芯片采用串行接口(SPI)芯片，與DSP1的 McBSP0接口連接。

2.5 CAN總線接口電路

CAN總線接口電路包括CAN協(xié)議芯片和總線收發(fā)器，工作時鐘16MHz，協(xié)議芯片與收發(fā)器之間采用光隔進行隔離。CAN協(xié)議芯片使用AD總線，需要 FPGA將DSP的地址數(shù)據(jù)總線與AD總線進行轉(zhuǎn)換。因為隔離的需要，CAN總線電路需要一路隔離5V電源為收發(fā)器和光耦提供電源。CAN總線電路如圖7 所示。

3 結(jié)束語

本文介紹了一種導航計算機模塊的設計與實現(xiàn)方法，此設計方法具有集成一體化、處理能力強和接口豐富的特點，并且設計中使用了雙DSP結(jié)合FPGA的架構(gòu)。所有控制通信接口實現(xiàn)光電隔離，對核心計數(shù)信號均有濾波整形處理，并配有AD測溫電路。本文對導航計算機的設計具有一定的參考價值。